32 Zementbeton
Seit Jahrzehnten werden in den USA abgängige Asphalt- oder Betonfahrbahnen mit dem "Whitetopping"-Verfahren instand gesetzt, bei dem die geschädigte Fahrbahndecke mit einer neuen zwischen circa 5 und 25 cm dicken Decke überbaut wird, um ihre Tragfähigkeit und Verkehrssicherheit wieder herzustellen. In einem von der Universität Kassel gemeinsam mit der Bundesanstalt für Straßenwesen bearbeiteten Forschungsprojekt wurde untersucht, ob die Bauweise mit üblichen Straßenfertigern herstellbar und dauerhaft tragfähig ist, wenn nur circa 6 bis 8 cm dicke durchgehend bewehrte Schichten aus stahlfaserhaltigem Hochfesten Beton (HPC, Druckfestigkeit 125 Newton pro Quadratmillimeter (N/mm2)) oder Ultra-Hochfesten Beton (UHPC; 180 N/mm2) verwendet werden. Zunächst wurde der Fahrbahnaufbau mit einem FE-Programm dimensioniert, anschließend wurde das Tragverhalten unter Schwellbelastung an einem Modellaufbau im Labor ermittelt. Nachdem dort eine ausreichende Tragfähigkeit festgestellt wurde, wurde 2008 eine erste Versuchsstrecke auf einem Lkw-Parkstreifen an der Bundesautobahn (BAB) A2 gebaut.
Bei der Herstellung von Betonfahrbahndecken kommen in Deutschland vorzugsweise Portlandzemente zur Anwendung, da mit dieser Zementart hinreichende Erfahrungen vorliegen. In vielen Bereichen des Betonbaus werden jedoch seit einigen Jahren zunehmend CEM II- und CEM III-Zemente verwendet. Durch den gezielten Einsatz von CEM II- und CEM III-Zementen im Betonstraßenbau lässt sich zum Beispiel die Ökologie des Bauwerks "Betonstraße" verbessern, da unter anderem bei der Herstellung dieser Zemente vergleichsweise weniger CO2 emittiert wird. Um diesen Vorteil nutzen zu können, sollte eine allgemeine Erfahrungssammlung erstellt werden. Hierfür wurden die im bundesdeutschen Fernstraßennetz befindlichen Betonfahrbahndecken mit CEM II- und CEM III-Zementen ermittelt sowie deren Oberflächensubstanz begutachtet und bewertet. Bis dato konnte festgestellt werden, dass diese im Vergleich zu den CEM I-Betonen Auffälligkeiten an der Betonoberfläche aufweisen können. Ferner wurde auf Verkehrsflächen aus CEM II-Beton nach sehr langer Nutzungsdauer ein Gebrauchs- beziehungsweise Substanzwert kleiner 1,5 ermittelt.
Für eine frühzeitige Verkehrsfreigabe von Betonfahrbahndecken wird in der ZTV Beton-StB 07 eine Mindestbetondruckfestigkeit von 26 N/mm2 gefordert. Insbesondere Betonfahrbahnen, die bei niedrigen Temperaturen hergestellt und bereits im jungen Alter durch Frost und Taumittel beansprucht werden, müssen einen ausreichend hohen Widerstand gegen Frost-Tausalz-Wechsel aufweisen. Vor diesem Hintergrund wurde im Rahmen eines Forschungsprojektes die Dauerhaftigkeit von Waschbetonoberflächen bei Herstellung unter spätherbstlichen Klimabedingungen und bei frühzeitiger Verkehrsfreigabe unter Frost-Taumittel-Beanspruchung untersucht. Im Hinblick auf die Waschbetonoberfläche wurde insbesondere die Einbettung der groben Gesteinskörnung in die Oberflächenmatrix mittels Oberflächenzugfestigkeitsprüfungen an befrosteten und unbefrosteten Proben sowie die Makrotextur vor und nach der Frost-Tausalz-Prüfung überprüft. Dabei zeigten sich bei den beiden untersuchten Laborbetonen mit CEM I 42,5 R und CEM II/A-S 42,5 R nur geringfügige Unterschiede. Im Hinblick auf die CDF-Prüfungen wurden insbesondere bei den Serien, die bei 8 -°C, 99 % relativer Feuchte, lagerten und mit einer Zieldruckfestigkeit von 32 N/mm2 in die Frosttruhe eingelagert wurden, im Vergleich zu den beiden anderen Lagerungsbedingungen (8 -°C, 85 % relative Feuchte und 20 -°C, 65 % relative Feuchte) mit geringeren Zieldruckfestigkeiten von 20 N/mm2 und 26 N/mm2 deutlich geringere Abwitterungen ermittelt. Die Serien mit Lagerung bei 20 -°C, 65 % relativer Feuchte verzeichneten demgegenüber den höchsten Materialverlust sowie einen signifikanteren Anstieg der relativen Feuchteaufnahme zu Beginn der CDF-Prüfung. Die kontinuierliche Zunahme des relativen, dynamischen E-Moduls aller untersuchten Betone über die gesamte Prüfdauer ist auf die im Betonalter noch intensiv andauernde Hydratation zurückzuführen. Im Rahmen der Oberflächenzugfestigkeitsprüfungen wurden insbesondere bei den unbefrosteten Proben in der Feuchtlagerung bei 8 -°C, 99 % relativer Feuchte, die höchsten Oberflächenzugfestigkeiten ermittelt. Die Betone der Serien, die bei 20 -°C, 65 % relativer Feuchte lagerten, wiesen zu den jeweiligen Prüfzeitpunkten jeweils geringere Oberflächenzugfestigkeiten als die feuchter gelagerten Betone auf. Während die Serien durch ihre Lagerung (8 -°C, 85 % relative Feuchte sowie 99 % relative Feuchte) oberflächennah wassergesättigt waren, kam es bei den Serien mit Lagerung bei 20 -°C, 65 % relativer Feuchte zum Austrocknen der oberflächennahen Schicht. Allen untersuchten Betonproben konnten Kohäsionsbrüche sowohl in der Gesteinskörnung als auch in der Zementsteinmatrix zugeordnet werden. Allerdings lässt sich auch in den Fällen mit gerissenen Gesteinskörnern aufgrund der generell erzielten Oberflächenzugfestigkeiten (stets > 1,5 N/mm2) keine Beeinträchtigung der Dauerhaftigkeit (einschließlich der Korneinbettung) der Waschbetonoberfläche, die bei kühler und feuchter Witterung nur kurze Zeit erhärten konnte und frühzeitig Frost-Tausalz-Beanspruchung ausgesetzt wurde, erkennen, solange die Festigkeit des Betons bei der ersten Frosteinwirkung größer als rund 20 N/mm2 ist.
Zur Zustandsbeurteilung von Brückenfahrbahnplatten ist es wichtig, die Feuchte und den Salzgehalt des bewehrten Betons zu kennen. Üblicherweise wird die Versalzung mittels Potenzialmessung bestimmt und durch Laboranalyse von Proben verifiziert. Diese Methode erfordert aber das Entfernen des Fahrbahnbelags. Um eine zerstörungsfreie Bestimmung des Betonzustandes und des Salzgehaltes des Betons mit einem fahrzeugbasierten Messsystem von der Fahrbahn aus durchführen zu können, wurde eine Kombinationsmethode aus Georadar und Magnetfeldmessung entwickelt. Ermittelt man die komplexe Dielektrizitätskonstante (DK) des Baustoffs im Mikrowellen-Bereich, so ist es möglich, über entsprechende Kalibrationskurven seine Feuchte und seinen Salzgehalt abzuleiten. Mit einem 1 GHz-Bodenradar wird die Laufzeit der elektromagnetischen Wellen von der Fahrbahnoberfläche bis zur oberflächennahen Bewehrung bestimmt. Die Tiefe dieser Bewehrungsstähle wird unabhängig durch eine magnetische Gleichfeld-Methode ermittelt. Nach Aufmagnetisierung werden mehrere Gradientenkomponenten des statischen magnetischen Feldes der Bewehrungsbügel gemessen und daraus die Bügeltiefe berechnet. Diese magnetische Tiefenbestimmung ist unabhängig von den dielektrischen Eigenschaften der dazwischen befindlichen Materialien. Durch Vergleich der Radar-Laufzeit mit der magnetisch gemessenen Tiefe lässt sich der Realteil der effektiven DK des überdeckenden Betons bestimmen. Die Analyse der reflektierten Radar-Amplitude erlaubt eine Abschätzung des Salzgehaltes. Zusätzlich wurde ein dielektrischer Resonator für die Feuchte- und Salzgehaltmessung von Baustoffen entwickelt, der aus einer zylindrischen Mikrowellenkeramik hoher DK in einem halboffenen Metallgehäuse besteht. Aus der Messung der Resonanzfrequenz und der Güte beim Aufbringen des Resonators auf den Baustoff lässt sich sein Feuchte- und Salzgehalt ableiten. Die an Beton-Probekörpern bekannter Feuchte und Versalzung durchgeführten experimentellen Untersuchungen bestätigten die Erwartungen. Ein Radar-Magnet-Messwagen wurde entwickelt und auf zwei Brückenbauwerken erfolgreich erprobt. Die effektive komplexe DK konnte gut bestimmt werden.
Ziel des Vorhabens war es, ausgehend von dem für XF4-Betone anerkannten CDF-Prüfverfahren ein Laborprüfverfahren zu entwickeln, das einen abgeschwächten Frost-Tausalzangriff gemäß XF2-Exposition erzeugt und eine Beurteilung des Frost-Tausalzwiderstandes bei mäßiger Sättigung zulässt. Die am IBPM der Universität Duisburg-Essen durchgeführten Laborergebnisse verdeutlichen, dass eine Beurteilung des Widerstandes gegenüber einer XF2-Exposition über die Einstellung eines mäßigeren Feuchtegehaltes beziehungsweise Sättigungsgrades nicht eindeutig möglich ist. Dagegen ergab die Kombination der drei Prüfparameter - Minimaltemperatur "10-°C, 3%ige NaCl-Lösung und 14 FTW Prüfdauer - eine geeignete Abschwächung des CDF-Prüfverfahrens auf die Erfordernisse von XF2-Mischungen. Aufgrund der geringen Datenmenge ließ sich jedoch noch kein allgemein gültiger Grenzwert als Abnahmekriterium festlegen. Im Rahmen der Untersuchungen am cbm der TU München wurden Betone, die aufgrund ihrer Zusammensetzung für die Klassen XF4 und XF2 beziehungsweise für geringere Klassen als XF2 geeignet sind, sowohl durch Untersuchungen im Labor als auch durch Auslagerungsversuche beurteilt. Anhand der durch Auslagerung ermittelten Feuchtedaten wird deutlich, dass die Schädigung über die verschiedenen Winterperioden kumulativ zu sehen ist und nicht aus einer zunehmenden Sättigung des gesamten Probekörpers über mehrere Winter hinweg resultiert. Die Schädigung ist die Folge einer lokalen Übersättigung der äußersten Randzone, die jedoch weder durch Wägung des gesamten Probekörpers noch durch Messungen mit der Multiringelektrode erfassen werden konnte. Die Aufsättigung des Zementsteingefüges erfolgt bei Außenbauteilen aufgrund sich ändernder thermischer Randbedingungen und des damit verbundenen dynamischen Prozesses scheinbar in einer geringeren Schichtdicke als beim CDF-Verfahren. Folglich entstehen in der Praxis trotz vergleichbarer Anzahl an Frost-Tau-Wechseln geringere Schädigungen. Unabhängig davon erwies sich die Korrelation der Schädigung im Labortest und in der Praxis als sehr gut. Der modifizierte CDF-Test mit einer reduzierten Prüfdauer von 14 Frost-Tau-Wechseln und einer Minimaltemperatur von "10-°C spiegelt das Verhalten von XF2 Betonen praxisgerecht wieder.
Die Untersuchungen an einer Auswahl von insgesamt 16 Hydrophobierungsmitteln zeigen, dass diese Produkte inzwischen eine hohe Qualität erreicht haben. Wenn diese Mittel regelwerksgerecht von geschultem Personal eingesetzt werden, lassen sich damit eine hohe Ausführungsqualität erzielen und Betonbauteile gegen eindringendes Wasser und darin gelöste Chloride erfolgreich schützen. Nach einer Versuchsdauer von 4 Jahren lassen die Messwert-Zeit-Kurven den Schluss zu, dass eine wesentlich höhere Dauerhaftigkeit als bei den früheren Produkten zu erwarten ist. Aufgrund ihrer hohen Konsistenz eignen sich die pastösen Produkte insbesondere für geneigte und senkrechte Flächen besser als die dünnflüssigen Mittel. Durch den relativ hohen Wirkstoffanteil und die Zusammensetzung sowie durch die größere Kontaktzeit der pastösen Produkte an der Bauteiloberfläche ist weitestgehend zielsicher eine hohe Qualität erreichbar. Auch mit den übrigen Mitteln mit gleich hohen Wirkstoffgehalten kann eine solche Qualität erzielt werden, wenn sie unter den richtigen Applikationsbedingungen eingesetzt werden und das ausführende Personal im Umgang mit Hydrophobierungen erfahren ist. Zu Beginn einer Applikation und während der Folgemessungen wurde immer auch die Feuchtigkeit des Betons im oberflächennahen Bereich des Betons mit einem elektrischen Feuchtemessgerät ermittelt. In den Untersuchungen konnte belegt werden, dass eine deutliche Abhängigkeit der Hydrophobierungsqualität von der Feuchte während der Applikation und ebenso eine deutliche Abhängigkeit der Messwerte von der Feuchte während der Messung besteht. Mit sinkender Applikationsfeuchte nimmt die Hydrophobierungsqualität zu. Andererseits steigen mit steigender Messfeuchte die Hydrophobierungs-Messwerte, und die Hydrophobierungsqualität nimmt scheinbar ab. Tatsächlich misst man jedoch unter gleichen Feuchtebedingungen auch gleich hohe Qualitäten. Die anlässlich der umfangreichen Untersuchungen und insbesondere in der Praxis gesammelten Erfahrungen bei den Frühjahrs- und Herbstmessungen haben erbracht, dass die Applikationsfeuchte bei höchstens 3 M-% und die Messfeuchte zwischen 1,5 M-% und 3 M-% - jeweils gemessen mit dem elektrischen Feuchtemessgerät - liegen sollten. Eine der Voraussetzungen für die Verwendbarkeit eines Produkts als Feuchteschutz einer Betonoberfläche ist, dass es zugelassen ist. Eine hohe Ausführungsqualität setzt darüber hinaus auch den regelwerksgerechten Einsatz der Produkte sowie einen qualifizierten Umgang damit voraus. Es müssen Probeflächen angelegt werden, und letztendlich darf auf einen Qualitätsnachweis im Rahmen der Eigenüberwachung mit dem vorgeschriebenen Messverfahren nicht verzichtet werden. Der Originalbericht enthält als Anhänge eine Darstellung der umfangreichen Messergebnisse in Form von Messwert-Zeit-Kurven, Balkendiagrammen und Tabellen, die die Aussagen des Berichtes ergänzen. Auf die Wiedergabe dieser Anhänge wurde in der vorliegenden Veröffentlichung verzichtet. Sie liegen bei der Bundesanstalt für Straßenwesen vor und sind dort einsehbar. Verweise auf die Anhänge im Berichtstext wurden zur Information des Lesers beibehalten.
Verwendung von selbstverdichtendem Beton (SVB) im Brücken- und Ingenieurbau an Bundesfernstraßen
(2006)
Im Rahmen des Projektes wurden bei zwei Maßnahmen die Herstellung von Bauwerksteilen in Ortbeton und bei einer Maßnahme die Serienherstellung großformatiger Fertigteile aus selbstverdichtendem Beton (SVB) fachtechnisch begleitet. Die dabei gesammelten Erfahrungen konnten durch Auswertung von Fachveröffentlichungen bestätigt und vertieft werden. Die Vorteile von SVB können auch für den Brücken- und Ingenieurbau genutzt werden. Durch das selbsttätige Fließen des SVB, das selbsttätige Entlüften und das Verteilen bis nahezu zum Niveauausgleich können Schäden infolge nicht ausreichender Verdichtung des Betons vermieden und die Oberflächenqualität verbessert werden. Die für konventionellen Rüttelbeton typische, körperlich stark belastende, lärm- und zeitintensive Verdichtungsarbeit entfällt. Zur Herstellung von freien Oberflächen mit Gefälle, die sich bei Brücken und Unterführungen von Bundesfernstraßen aus der Trassierung ergeben oder zur Ableitung des Oberflächenwassers im Beton der Fahrbahntafel des Überbaus erforderlich sind, ist SVB jedoch nicht geeignet. rnDie Herstellung von Bauteilen mit SVB erfordert einen erheblich größeren Aufwand bei Betonherstellung und bauvorbereitenden Maßnahmen als die Herstellung mit konventionel-lem Rüttelbeton. SVB ist wenig robust gegenüber baupraktischen Schwankungen von Ausgangstoffen, Betonherstellung und Einbaubedingungen. Unerwartete Konsistenzschwankungen, Änderung der Verarbeitbarkeitsdauer und Sedimentieren der Gesteinskörnung können bisher nur unter sehr hohem Aufwand (z.B. umfangreiche Vorversuche) sicher vermieden werden. Zur Steigerung der Robustheit von SVB sind bisher schon einige Verbesserungen erkannt und umgesetzt worden. Von einem herkömmlichen "gutmütigen" Rüttelbeton ist sie jedoch noch weit entfernt. Eine Schulung des Personals im Umgang mit dem neuen Baustoff ist unerlässlich. Dem Erfordernis der partnerschaftlichen Zusammenarbeit zwischen Herstellung und Einbau steht die heute übliche Trennung der Verantwortlichkeiten von Betonlieferant und Bauunternehmung gegenüber. Die sehr hohen Erwartungen an die Verbesserung der Sichtbetonqualität konnten nicht immer erfüllt werden. Typische Verdichtungsfehler werden zwar vermieden. Vollständig lunkerfreie und vollständig gleichmäßig gefärbte glatte Oberflächen wurden an Bauwerken in der Praxis jedoch nicht beobachtet.rnDer technologische, planerische und wirtschaftliche Aufwand für die Herstellung von Bauwerken mit SVB ist sehr hoch. SVB ist nicht für jedes Bauwerk im Zuge von Bundesfernstrassen geeignet. Die Wahl der Bauteile und die Einsatzbedingungen vor Ort verlangen deshalb eine umfassende Vorplanung. Die erwartete hohe Ausführungsqualität und der Wegfall der körperlich stark belastenden, lärm- und zeitintensiven Verdichtungsarbeit sind sehr von Vorteil und ein wichtiges Kriterium bei einer Entscheidung für die Verwendung von SVB.rn
Der Frost- und Tausalzwiderstand ist für die Dauerhaftigkeit von Betonbauwerken an Bundesfernstraßen von hoher Bedeutung. Die neuen Normen, zusammengefasst im DIN-Fachbericht 100, unterscheiden zwei Beanspruchungskollektive: Frost- und Tausalzeinwirkung bei hoher Wassersättigung, bezeichnet als Expositionsklasse XF4, und Frost- und Tausalzeinwirkung bei mäßiger Wassersättigung, bezeichnet als Expositionsklasse XF2. Unbekannt war bisher, welche Wassersättigung mäßige von hoher unterscheidet und welche Auswirkungen eine Frost-Tausalz-Beanspruchung im Beton des Bauwerks hat. Auch fehlte ein Prüfverfahren für die Expositionsklasse XF2. Das Prüfverfahren sollte dem Performance Concept gerecht werden, also die Ermittlung der Leistungsfähigkeit des Betons ohne genaue Kenntnis seiner Zusammensetzung ermöglichen. Die in ZTV-ING 3-1 getroffene Zuordnung der Bauteile zu den Expositionsklassen XF2 beziehungsweise XF4 ist durch die Messungen im Bauwerksbeton bestätigt worden. Im Beton der Bauteile mit nicht vorwiegend horizontaler Oberfläche (XF2), wie zum Beispiel Widerlager, Pfeiler und Tunnelwänden, werden im Vergleich zur Wassersättigung unter Atmosphärendruck eindeutig niedrigere Sättigungsgrade beobachtet als im Luftporenbeton der Brückenkappe (XF4), obwohl kein wirksames Luftporensystem eingeführt wurden. Nur in seltenen Fällen und nur in der äußersten Randzone des Bauwerkbetons mit nicht vorwiegend horizontaler Oberfläche (XF2) wird eine Sättigung beobachtet, die der Sättigung unter Atmosphärendruck entspricht oder diese überschreitet. Die Eignung von Beton ohne Luftporen in der Expositionsklasse XF2 für Verkehrsbauwerke wird bestätigt. Betone ohne Luftporen sind unter Beachtung von ZTV-ING 3-1 in XF2 die wirtschaftlichere Lösung. In Tunnelbauwerken können noch über 100 m hinter dem Tunnelportal Frost-Tauwechsel im Beton mit derselben Häufigkeit auftreten, wie im Portalbereich selbst. Die Forderung der Expositionsklasse XF2 nach ZTV-ING 3-1 für Beton im Portalbereichen von Tunneln wie auch in dem Bereich dazwischen erscheint angemessen. Das neue entwickelte Prüfverfahren für Beton in der Expositionsklasse XF2, das modifizierte CDF-Verfahren XF2, ist ein Prüfverfahren nach dem Prinzip der Leistungsfähigkeit. Es erfasst den physikalischen Versagensmechanismus unter Frost-Tausalz-Beanspruchung im Beton und es bildet die reale Beanspruchung von Beton im Bauwerk ab. Die Prüfung wird im Labor durchgeführt, weshalb das modifizierte CDF-Verfahren XF2 als Prüfverfahren nach dem Lab-Performance-Concept bezeichnet wird. Ob und in wie weit der mögliche chemische Schädigungsmechanismus einer Frost-Tausalz-Beanspruchung mit diesem Verfahren erfasst werden kann, ist noch nicht geklärt. Sobald die Reproduzierbarkeit der Versuche durch das neue externe Projekt (15.460/2008/DRB) bestätigt wird und die Abnahmekriterien angemessen festgelegt werden können, erscheint es möglich die Prüfung von Beton für XF2 mit dem modifizierten CDF-Verfahren XF2 in den ZTV-ING 3-1 zur Überprüfung von solchen Betonzusammensetzungen einzuführen, die mit noch nicht in der Praxis bewährten Ausgangstoffen hergestellt werden. Der Nachweis der Grundanforderungen von ZTV-ING 3-1und DIN-Fachbericht 100 an die Betonausgangsstoffe wird jedoch weiterhin erforderlich bleiben. Über das ursprüngliche Ziel hinaus konnte gezeigt werden, dass Frost-Tausalzschäden auch im Beton der Expositionsklasse XF2 auftreten können, wenn die Porosität der Betonzusammensetzung, hier abgebildet durch den w/z-Wert, nicht ZTV-ING 3-1 entspricht. In solchen Fällen bildet sich in der obersten Randzone des Betons ein starker Feuchtegradient aus und nur dort tritt eine Schädigung auf. Auch wurde gezeigt, dass Überschreitungen des kritischen Sättigungsgrades im Bauwerksbeton in der Expositionsklasse XF2 wesentlich seltener auftreten als in der Expositionsklasse XF4, wenn ein vergleichbarer Beton ohne Luftporen betrachtet wird. Man muss davon ausgehen, dass bei mäßiger Wassersättigung XF2 die Austrocknungsphasen ausgeprägter sind als bei hoher Wassersättigung XF4 und dass daher die Schädigungsphase, also der Zeitraum in dem gleichzeitig eine hohe Wassersättigung vorliegt und Frost-Tau-Wechsel auftreten, seltener ist. Dieser Zeitfaktor bewirkt, dass ein Beton, der unter XF4-Beanspruchung nach kurzer Dauer erheblich geschädigt würde unter XF2-Beanspruchung eine erheblich verlängerte Lebensdauer hat.