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Im Gegensatz zu anderen Baumaschinen – die graben, transportieren oder rammen – verändert ein Verdichtungsgerät den Boden oder das Straßenbaumaterial, ohne es zu bewegen. Eine Walze oder Rüttelplatte übt wiederholt Druck auf den Boden aus, presst die Luft zwischen den Bodenpartikeln heraus und erhöht so die Dichte. Dadurch werden Festigkeit, Tragfähigkeit und Haltbarkeit verbessert. Es ist ein unscheinbarer Prozess, doch eine unzureichende Verdichtung des Untergrunds oder eines Damms führt später immer zu Setzungen oder Spurrinnenbildung.

Eine Caterpillar CS563E Vibrationswalze im Einsatz auf einer Baustelle in FrankreichEine Vibrationswalze im Einsatz

Bild: CAT CS563E (Alexandre Prevot, CC BY-SA 4.0), Wikimedia Commons. Nicht die im Text besprochenen spezifischen Modelle von Sakai Heavy Industries oder Mikasa Sangyo – ein repräsentatives Beispiel für den Aufbau einer Vibrationswalze mit einer Trommel.

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Schematische Darstellung des Exzentererregers einer Vibrationswalze, der Feldeinstellungen und der Verifizierungsschleife nach dem Walzen

Abbildung 1 – Die Rotation der Exzentermasse erzeugt die Erregung; zusammen mit dem Maschinengewicht entsteht eine Kontaktlast, die sich mit jedem Zyklus ändert. Die Qualität hängt auch von der Fahrgeschwindigkeit, dem Boden, der Feuchtigkeit und der Schichtdicke ab. Daher sollten Versuche und Messungen sowohl die Betriebsbedingungen als auch die Abbruchkriterien festlegen.

0. 30-Sekunden-Zusammenfassung

  • Für die Bodenverdichtung gibt es einen „optimalen Feuchtigkeitsgehalt“, bei dem die höchste Trockendichte für einen gegebenen Feuchtigkeitsgehalt erreicht wird. Der Labortest, der dies ermittelt, ist der Proctor-Test (der Verdichtungstest für Boden mittels Stampfer), dargestellt als Verdichtungskurve.

  • Eine Vibrationswalze versetzt ein Exzentergewicht im Inneren der Trommel in Rotation und erzeugt so die Zentrifugalkraft (die Erregerkraft). Diese Erregerkraft wird üblicherweise auf das 2- bis 3-fache des Eigengewichts der Trommel eingestellt. Dadurch wird die statische Belastung durch das Eigengewicht mit der dynamischen Belastung durch die Vibration kombiniert, um den Boden zu verdichten.

  • Eine große Amplitude mit niedriger Frequenz eignet sich für dicke Schichten und grobkörnigen Boden; eine kleine Amplitude mit hoher Frequenz eignet sich für dünne Schichten und das Feinwalzen. Diese Unterscheidung bestimmt sowohl den Maschinentyp als auch die Auslegung der Betriebsmodi.

  • Rüttelplatten und Stampfer sind kleine Maschinen, die die Verdichtung an Stellen durchführen, die für große Walzen unzugänglich sind – Hänge, Bereiche in der Nähe von Bauwerken, enge Baugruben usw.

  • Beim Asphaltbau werden in jeder Phase des Prozesses nacheinander eine Makadamwalze (Vorwalzen), eine Tandemwalze (Feinwalzen) und eine Reifenwalze (Nachwalzen/Glätten) eingesetzt.

1. Warum überhaupt verdichten? Proctor-Test und optimaler Wassergehalt

Die Festigkeit, Setzungsbeständigkeit und Durchlässigkeit eines Damms oder Untergrunds hängen eng mit der Trockendichte des Bodens (der Masse der Bodenpartikel pro Volumeneinheit) zusammen. 1933 stellte der amerikanische Forscher Proctor fest, dass die Trockendichte bei Verdichtung desselben Bodens mit unterschiedlichen Wassergehalten bei einem bestimmten Wassergehalt ein Maximum erreicht. In Japan wird dieser Zusammenhang mit dem „Verdichtungstest für Boden mit dem Stampfer“ (einem JIS-konformen Labortest, der dem Proctor-Test entspricht) untersucht.

Bei diesem Test wird eine Bodenprobe in eine Form gegeben und ein Stampfer (Gewicht) mit definierter Masse wiederholt aus einer festgelegten Höhe fallen gelassen, um sie zu verdichten. Die Verdichtung bei etwa sechs bis acht verschiedenen Wassergehalten und die grafische Darstellung des Zusammenhangs zwischen Wassergehalt und Trockendichte als „Verdichtungskurve“ ergibt eine bergförmige Kurve. Der Wassergehalt, bei dem die Trockendichte maximal ist, wird als optimaler Wassergehalt bezeichnet. Die maximale Trockendichte ist \rho_{d,max}. Bei gut abgestuften, grobkörnigen Sandböden weist die Verdichtungskurve einen scharfen Peak auf, wobei \rho_{d,max} tendenziell hoch und w_{opt} niedrig ist (als grober Richtwert: w_{opt} ca. 8–20 % und \rho_{d,max} ca. 1,7–2,1 g/cm³). Kohäsive Böden mit hohem Feinkornanteil zeigen hingegen einen flacheren Verlauf, mit niedrigerem \rho_{d,max} und höherem w_{opt} (als grober Richtwert: w_{opt} ca. 30–70 % und \rho_{d,max} ca. 1,1–1,3 g/cm³, jeweils für Methode A).

Der Bewirtschaftungsstandard vor Ort ist der Prozentsatz der im Labor ermittelten maximalen Trockendichte, den die tatsächlich verdichtete Bodentrockendichte erreicht (der Verdichtungsgrad). Böden mit einem Feuchtigkeitsgehalt weit unterhalb des optimalen Wertes erreichen die Zieldichte nicht, selbst wenn die Anregungskraft der Maschine erhöht wird. Die Feuchtigkeitsregulierung durch Bewässerung oder Belüftung und die Verdichtungsleistung der Maschine müssen stets als Einheit betrachtet werden.

2. Der Anregungsmechanismus einer Vibrationswalze

Eine Vibrationswalze besitzt eine rotierende Welle mit einem Exzentergewicht (Unwuchtmasse) im Inneren der Trommel. Durch die schnelle Rotation des Exzentergewichts mittels eines Motors wird eine Anregungskraft erzeugt. Sei die Masse des Exzentergewichts m_e, sein Abstand vom Drehpunkt r_e und die Winkelgeschwindigkeit \omega. Dann ist die Amplitude der Zentrifugalkraft (Anregungskraft)

F_{c} = m_e r_e \omega^2

Da die Winkelgeschwindigkeit \omega=2\pi f (wobei f die Frequenz ist) ist, ist die Amplitude umso größer, je höher die Je höher die Frequenz, desto stärker nimmt die Anregungskraft proportional zum Quadrat der Winkelgeschwindigkeit zu. Die von der Trommel auf den Boden übertragene Kraft setzt sich aus der statischen Last ihres Eigengewichts (M_{drum}g) und der rotierenden Anregungskraft (F_c\sin(\omega t)) zusammen. In der Praxis wird die Anregungskraft oft auf das Zwei- bis Dreifache des Trommelgewichts eingestellt. Dies bedeutet, dass die Trommel periodisch eine dynamische Last aufbringt, die groß genug ist, um sie kurzzeitig vom Boden abzuheben.

Die Amplitude (a) wird annähernd durch Folgendes bestimmt:

a \approx \frac{m_e r_e}{M_{eq}}

Division des statischen Moments des Exzentergewichts (m_e r_e) durch die äquivalente Masse (M_{eq}) des gesamten Vibrationssystems inklusive Trommel. Frequenz und Amplitude sind Parameter, die unabhängig voneinander ausgelegt und eingestellt werden können: Eine große Amplitude und eine niedrige Frequenz ermöglichen es der Verdichtungsenergie, tief in dicke Bodenschichten einzudringen. Dies eignet sich für das anfängliche Walzen dicker Schichten wie beispielsweise eines Damms. Eine geringe Amplitude und hohe Frequenz konzentrieren die Wirkung nahe der Oberfläche und eignen sich daher für Anwendungen wie das Walzen der Asphaltfertigstellung, die dünne Schichten und hohe Ebenheit erfordern. Viele moderne Maschinen verfügen über Modi, die Frequenz und Amplitude stufenweise umschalten, sodass ein und dasselbe Gerät alle Arbeitsschritte vom Grob- bis zum Feinwalzen abdecken kann.

Die SV160DV von Sakai Heavy Industries gibt in ihren Spezifikationen eine Frequenz von 28,3 Hz (hohe Vibration) und eine Erregerkraft von 343 kN an. Dieser Wert dient als Richtwert für die Erregerkraft mittelgroßer bis großer Vibrationswalzen für Erdbauarbeiten.

3. Rüttelplatten und Stampfer: Verdichtung auf engstem Raum

An Hängen, in der Nähe von Bauwerken, um vergrabene Rohre und in engen Baugruben – also an Stellen, die für große Vibrationswalzen unzugänglich sind – kommen mobile Rüttelplatten oder Stampfer (Verdichtungsgeräte) zum Einsatz. Eine Rüttelplatte verfügt über einen in die Unterseite einer flachen Platte integrierten Vibrationsmechanismus, der sich selbstständig vorwärts/rückwärts und seitwärts bewegt, um flächendeckend zu verdichten. Ein Stampfer wendet eine Vibrationsfunktion an, die durch eine flächenhafte Verdichtung entsteht. Durch die vertikale Aufprallwirkung eignet sich die Rüttelplatte MVC-40H von Mikasa Sangyo für enge, vertikale Löcher und zum Verfüllen.

Die Rüttelplatte hat eine Masse von 49 kg, eine Zentrifugalkraft von 7,2 kN (730 kgf) und eine Frequenz von 103 Hz (6.200 Schläge pro Minute). Ihre Erregerkraft ist um eine Größenordnung geringer als die einer großen Vibrationswalze, ihre Frequenz hingegen höher. Dies zeigt, dass sie für den Einsatz in engen Bereichen konzipiert ist, wo sie manuell geschoben wird und fein verdichtet. Die geringe Masse von 49 kg ist auf einfache Handhabung und Mobilität ausgelegt.

4. Asphaltwalzen: Unterschiedliche Einsatzgebiete je nach Prozessphase

Die Verdichtung von Asphaltbelägen erfolgt nicht mit einer einzigen Maschine. Die Makadamwalze mit einem Stahlrad vorne und zwei hinten ist schwer – mit einem Eigengewicht von ca. 6–16 t – und wird zum Verdichten von Schotter und für die erste Walzstufe eingesetzt. Asphaltmischungen werden mit einer Tandemwalze bearbeitet. Die Tandemwalze mit Stahlrädern über die gesamte Fahrzeugbreite an Vorder- und Hinterachse kann große Flächen gleichzeitig bearbeiten und eignet sich daher ideal für die Feinverdichtung. Die Reifenwalze mit Gummireifen an Vorder- und Hinterachse verfügt über eine einfach über den Reifendruck einstellbare Bodendruckverteilung und wird für die Nachverdichtung und Oberflächenglättung eingesetzt. Die Kombinationswalze, ausgestattet mit Stahlrädern und Reifen, deckt mit einer einzigen Maschine ein breites Spektrum von der Vorverdichtung bis zur Feinverdichtung ab.

Auf der Baustelle ist die typische Abfolge: Vorverdichtung (Makadamwalze oder Vibrationswalze) zur Erzielung der maximalen Verdichtung, Nachverdichtung (Reifenwalze) zum Ausgleich von Spurrillen und Unebenheiten und Feinverdichtung (Tandemwalze) zur Verfeinerung der Oberflächenglätte und -struktur. Da Asphaltmischungen mit sinkender Temperatur schwerer zu verdichten sind, ist die zeitliche Abstimmung der Walzvorgänge und der Maschineneinsatz ein besonders präziser Prozess im Bauablauf.

5. Die Bandbreite der in aktuellen Produkten verwendeten Verdichtungsgeräte

Modell Klassifizierung Wichtigste veröffentlichte Spezifikationen Hauptanwendung

Sakai Heavy Industries SV160DV | Vibrationswalze (Erdbau) | Frequenz 28,3 Hz (hoch), Erregerkraft 343 kN | Walzen von Dämmen und Untergründen (Anfangs- bis Sekundärverdichtung) |

Mikasa Sangyo MVC-40H | Rüttelplatte | Maschinenmasse 49 kg, Zentrifugalkraft 7,2 kN, Frequenz 103 Hz | Verdichtung auf engstem Raum, an Hängen und beim Hinterfüllen |

Die Größenordnung von Erregerkraft, Frequenz und Masse unterscheidet sich erheblich zwischen einer großen Vibrationswalze und einer mobilen Rüttelplatte. Dies ist nicht einfach der Fall, dass „die Größere auch die kleinere Arbeit erledigen kann“ – es zeigt vielmehr, dass sich die Konstruktionsphilosophie des Vibrationssystems selbst je nach Dicke der zu verdichtenden Schicht und dem verfügbaren Arbeitsraum ändert.

6. Zusammenfassung

Die Aufgabe von Verdichtungsgeräten besteht darin, Boden oder Straßenbaumaterial wiederholt zu belasten. Durch die Reduzierung von Hohlräumen wird eine angestrebte Trockendichte und Tragfähigkeit erreicht. Der optimale Feuchtigkeitsgehalt und die maximale Trockendichte, ermittelt durch den Proctor-Versuch, liefern den Zielwert für die Feuchtigkeitsanpassung im Rahmen des Baumanagements. Die Anregungskraft, Frequenz und Amplitude einer Vibrationswalze sind die Auslegungsvariablen, die bestimmen, wie viel dynamische Energie diesen Zielwert erreicht und in welche Tiefe. Von Rüttelplatten bis hin zu Asphaltwalzen – trotz unterschiedlicher Maschinentypen – gilt das Prinzip der „Übertragung des Eigengewichts plus der Anregungskraft auf den Boden, abgestimmt auf Schichtdicke und Bodenart“, für alle. Die Modellauswahl und die Prozessablaufplanung vor Ort basieren auf diesem Prinzip.

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