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T. Reitmeier:
"Bituminöse Planumschutzschichten in der Eisenbahnbestandssanierung";
Supervisor: D. Adam; Institut für Geotechnik, 2015; final examination: 2015-03-20.

Nowadays most railway track rehabilitation works are carried out with track renewal machines. These "mobile factories" are able to remove the track ballast and the base course, to wash it and to re-establish a new base course layer. This procedure saves resources and allows for economic rehabilitation works without long closure of the track.

The standard cross section of a railway track can be divided into superstructure - consisting of the rails, the sleepers and the track ballast -, the base course below and underneath the substructure. Modern railway tracks usually have two different base courses, the upper one, which fulfils the load spreading effect and below that, the other one, which meets frost protection criteria.

An alternative construction method, which is known in Austria as "BT-Bahn", consists of a bituminous base course instead of an upper base course layer. This design can only be implemented when laying new tracks and is usually carried out when the ground needs to be protected from rain water or if it does not have the required load capacity.
Since the "BT-Bahn" is made with road building equipment it is not possible to build a bituminous layer with a rail-bound track renewal machine.
Therefore, a research project, of which this Master thesis is a part, aims to find a recipe for a bituminous cold mix that allows creating a water-tight layer due to rehabilitation works with a track renewal machine. If it is succeeding, a machine can be adapted for this construction method.

In order to understand the motivation of this research and to provide the required background knowledge, the cross section of a railway track, the working method of a track renewal machine as well as the different components of the bituminous cold mix are explained in this thesis.
Moreover, it also contains a summary of the research carried out previously showing that the materials are suitable for this type of use.

Based on these explanations, the mixture was used on a test field which resulted in the following: The stiff bituminous layer is able to reduce settlements on a soft ground and has a low permeability. During follow-up laboratory research, a mixture was found which comprises high density, high indirect tension toughness, high ductility and low water permeability.

The strength development was studied using CBR-tests and it was compared with the unbound material. The bulk modulus was determined using a compression test. In a long-term-test the construction process as well as the regular use by trains was simulated. Furthermore, frost-tests were carried out.

Based on these results, it can be concluded that the tested material shows promising properties to be suitable for this construction method, although some aspects still need to be investigated. Including fatigue and bending.
For a successful implementation, the combined use of a bituminous base course and an unbound base layer will be required. The thickness of these layers needs to be adjusted to match the stiffness of the ground.
If this construction method can be economically applied, will depend on a successful adaption of the track renewal trains; especially the efficiency of the mixing system will be crucial. The recipe for the bituminous cold mix may need to be adjusted to be installed with the machine.

Bei der Sanierung von Bahnstrecken kommen heutzutage überwiegend Gleisbauzüge zum Einsatz. Diese "fahrenden Fabriken" sind in der Lage, den alten Gleisschotter und die darunterliegenden Tragschichten zu entfernen, zu waschen und als wiederaufbereitete Schicht einzubauen. Dadurch können Ressourcen geschont werden und eine wirtschaftliche Instandsetzung, ohne lange Gleissperren, ist möglich.

Der Regelquerschnitt einer Bahnstrecke lässt sich in den Oberbau, bestehend aus Gleisrost und Bettung, die Tragschichten und den Unterbau unterteilen. Im Neubau werden üblicherweise zwei ungebundene Tragschichten eingebaut, die zum einen der Lastverteilung dienen und zum anderen die Aufgaben einer Frostschutzschicht erfüllen.

Eine alternative Bauweise im Neubau, die in Österreich als "BT-Bahn" bezeichnet wird, sieht vor, dass die obere Tragschicht durch eine "bituminöse Tragschicht" ersetzt wird. Dieses Verfahren ist primär für Streckenabschnitte konzipiert, in denen der Untergrund vor Oberflächenwasser zu schützen ist. Es kann aber auch zur besseren Lastabtragung eingesetzt werden, wenn der Unterbau über eine ungleichmäßige Tragfähigkeit verfügt.
Die Herstellung einer solchen Schicht wird mit herkömmlichen, im Straßenbau angewandten Maschinen bewerkstelligt. Daher ist auch ein nachträglicher Einbau einer "BT-Bahn" im Zuge einer gleisgebundenen Sanierung nicht möglich.

Aus diesem Grund beschäftigt sich ein aktuelles Forschungsprojekt, in das die vorliegende Diplomarbeit eingebettet ist, mit der Entwicklung eines bituminösen Kaltmischgutes, das es ermöglicht, eine abdichtende Schicht bei Instandsetzungsarbeiten durch Gleisbauzüge herzustellen. Wenn es gelingt, eine geeignete Rezeptur zu entwickeln und deren Eignung nachzuweisen, soll in weiterer Folge die notwendige Umrüstung eines Planumssanierungszuges erfolgen.

Um die Motivation und das erforderliche Hintergrundwissen zu diesem Projekt zu verstehen, wird in dieser Arbeit der Aufbau eines Bahnquerschnittes zusammengefasst und die Arbeitsweise eines Gleisbauzuges erläutert. Außerdem werden die Komponenten des Kaltmischgutes näher beschrieben.
Darüber hinaus enthält diese Diplomarbeit eine Zusammenfassung der vorangegangenen Untersuchungen, die eine grundsätzliche Eignung der eingesetzten Materialien nachweisen konnten.

Ausgehend von diesen Voruntersuchungen wurde das Kaltmischgut bei einer Probebaustelle eingesetzt, die wertvolle Erkenntnisse brachte und in anschaulicher Weise Probleme aufzeigte, die in der Praxis auftreten können.
Basierend auf den Ergebnissen der Voruntersuchungen und jenen der Probebaustelle wurde in umfangreichen Laborversuchen ein Mischgut ausgewählt, das einerseits die Anforderungen hinsichtlich Dichtheit erfüllt und andererseits geeignet scheint, als lastverteilendes Element eingesetzt zu werden.
Dazu wurden die Dichte und Spaltzugfestigkeiten von Proben verglichen, die mit unterschiedlichen Bindemittelgehalten hergestellt wurden. Anschließend wurden die Zähigkeit und die Wasserdurchlässigkeit bestimmt, wodurch eine Auswahl einer optimalen Rezeptur für weitere Untersuchungen getroffen werden konnte.
Anhand von CBR-Versuchen wurde die Festigkeitsentwicklung des bituminösen Mischgutes dokumentiert und mit jener des ungebundenen Korngemisches verglichen. Mithilfe von Kompressionsversuchen konnte das Steifigkeitsverhalten beschrieben werden.
In Langzeitversuchen wurden Belastungen simuliert, wie sie direkt nach dem Einbauvorgang mit einem Gleisbauzug sowie bei regulären Zugüberfahrten auftreten. Dabei wurden auch Frostversuche durchgeführt, die darauf schließen lassen, dass das verwendete Mischgut frostsicher ist.

Anhand der Ergebnisse dieser Arbeit kann davon ausgegangen werden, dass der hier untersuchte Werkstoff zur Herstellung einer bituminösen Planumsschutzschicht grundsätzlich geeignet ist.
Detailfragen, die besonders das Ermüdungs- und Biegezugverhalten (des Schichtpaketes) betreffen, sind in zukünftigen Untersuchungen zu beleuchten.
Für eine erfolgreiche Anwendung wird der kombinierte Einbau einer ungebundenen, unteren Tragschicht vorausgesetzt, deren Schichtstärke auf die Tragfähigkeit des bestehenden Untergrundes sowie auf die Einwirkungen je nach Streckenkategorie abzustimmen ist.
Der wirtschaftliche Einsatz in der gleisgebundenen Sanierung bedarf einer Adaptierung der derzeitig eingesetzten Technik, insbesondere des Mischvorganges, und wird in erster Linie von der erzielbaren Leistungsfähigkeit abhängen. Eventuell wird dadurch eine weitere Optimierung des bituminösen Kaltmischgutes notwendig.

Eisenbahn, Bestandssanierung, Bitumen, Bitumenemulsion, Kaltmischgut, BT-Bahn, Gleisbauzug, Tragschicht