32 Zementbeton
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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.
In den ZTV Beton-StB 07 sind die Anforderungen an die Lage der Dübel enthalten. Größere Abweichungen können zu Schäden führen. Ziel der Forschungsarbeit war, die Messergebnisse (Pulsinduktionsverfahren) der vergangenen Jahre zu bewerten und aus Folgerungen ggf. die Qualität des Dübeleinbaus zu verbessern. Dazu wurden von 21 Strecken 894 Querscheinfugen mit 40389 Dübeln ausgewertet. Die vorliegenden Messdaten zeigten eine sehr unterschiedliche Qualität der Lage der Dübel. Soweit bekannt, waren auch bei Überschreitungen der festgelegten Toleranzen keine Schäden vorhanden. Bei einer beispielhaft angenommenen Erweiterung der Toleranzen konnten teilweise die Toleranzüberschreitungen auf etwa die Hälfte reduziert werden. Dagegen hatte bei einigen Strecken die Toleranzerweiterung geringe Auswirkungen. Auswirkung auf die Messergebnisse mit ggf. Fehlern konnten bei einer Hochspannungsleitung und an der Längsfuge durch den Einfluss der Anker und durch unterschiedliche Geräte festgestellt werden. Dagegen waren die Position der Dübelsetzergabeln und der Abstand der Rüttelflaschen untereinander von geringem Einfluss. Durch die Maßnahme, geringeren Energieeintrag über die Rüttler an zu tief liegenden Dübel einzuleiten, wurde ein hervorragendes Ergebnis der Dübellage erzielt. Durch die frühzeitige Kontrolle der Dübellage und entsprechende maschinentechnische Korrekturen (Kennzeichnung der Fuge, Qualität, Steifigkeit und Zusammensetzung des Betons sowie Einbaugeschwindigkeit des Fertiger) lässt sich eine gute Dübellage erreichen, bei der auch die Toleranzen nach den ZTV Beton-StB 07 eingehalten werden können. Aufgrund früherer Untersuchungen kann eine abweichende Höhenlage nach unten von 35 mm und eine Verschiebung der Dübel von +/- 80 mm zugelassen werden. Eine Toleranzerweiterung hat bei den einzelnen Stecken je nach Häufigkeitsverteilung sehr unterschiedliche Auswirkungen.
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.
Betondecken können grundsätzlich in zwei Varianten ausgeführt werden: als unbewehrte Platten und Durchgehend Bewehrt (DBBD). In Deutschland wird die unbewehrte Plattenbauweise mit verdübelten Querscheinfugen im Abstand von 5 m standardisiert angewendet. Bei der DBBD werden keine Querfugen in der Betondecke hergestellt, sondern es stellt sich ein freies Rissbild mit schmalen Plattenstreifen ein. Um eine Querkraftübertragung zu sichern, ist die Rissöffnungsweite zu beschränken. Dies wird durch die Anordnung einer durchgehenden Längsbewehrung erreicht. Zahlreiche Anwendungen haben gezeigt, dass bei dieser Fahrbahn der Fahrkomfort wesentlich höher ist, die Konstruktion ein sehr gutes Tragverhalten aufweist und eine lange Nutzungsdauer erreicht wird. Daraus ergibt sich eine sehr wirtschaftliche, langlebige und unterhaltungsarme Bauweise. Es fehlt noch eine Optimierung der Bauweise für die konkrete Anwendung in Deutschland. Dazu wurden 10 Strecken mit 17 Abschnitten in Belgien, den Niederlanden, der Schweiz, Deutschland, Polen und Kanada für eine vergleichende Betrachtung ausgewählt und die Anforderungswerte und Einbaubedingungen zusammengetragen. Es erfolgten Streckenbegehungen, bei denen die vorhandenen Risse mit Lage und Öffnungsweite bestimmt wurden. Der Zustand der Strecken wurde visuell begutachtet. Auf der Grundlage dieser Informationen wurden die Strecken verglichen. Es konnten weiterführende Erkenntnisse über das Rissverhalten der DBBD gewonnen werden. Darüber hinaus werden Anforderungen an die Herstellung einer DBBD und der weiteren Anwendung benannt.
Das Gesamtziel des Forschungsprojektes zum "Brand- und Abplatzverhalten von Faserbeton in Straßentunneln" war die Verifizierung und Validierung des Einflusses von Kunststofffasern auf das Brand- und Abplatzverhalten von Tunnelbetonen unter der besonderen Berücksichtigung der spezifischen Randbedingungen in Straßentunneln. Dabei sollte im Rahmen der Forschungsarbeit eruiert werden, inwieweit sich mit Kunststofffasern modifizierte Tunnelbetone, die entsprechend ihrer Betonzusammensetzung den gültigen Vorgaben der ZTV-ING zusammengesetzt werden sollten, für den Straßentunnelbau als bauliche Brandschutzmaßnahme eignen. Es wurde untersucht, welche Fasergehalte und Fasergeometrien in den Tunnelbetonen einzusetzen sind, damit ein explosionsartiges Abplatzen des Betons infolge der Brandbeanspruchungen mit dem schnellen Temperaturanstieg und den hohen Maximaltemperaturen verhindert werden kann. Des Weiteren wurden experimentell verifiziert, ob bei den festgelegten Betonen ohne Faserzugabe und fasermodifizierten Tunnelbetonen, die zulässige Maximaltemperatur von 300-°C in Höhe der tragenden Bewehrung (vergleiche ZTV-ING, Teil 5 (Tunnelbau), Abschnitt 1, 10.3.2) nicht überschritten wird. Ein weiteres Ziel der Arbeit war es, herauszufinden, ob die in der ZTV-ING, Teil 5, Abschnitt 2, 10.3.2 (2), geforderte verzinkte Mattenbewehrung (N94) für die offene Bauweise als wirksamer Schutz gegen auftretende Abplatzungen infolge einer einseitigen Temperaturbeanspruchung durch die ZTV-ING-Kurve angesetzt werden kann. Diese zuvor beschriebenen grundlegenden Zielstellungen wurden vor allem an großmaßstäblichen Bauteilversuchen experimentell untersucht. Dabei wurden entsprechend der Trennung in ZTV-ING für Tunnelbauwerke in die geschlossene Bauweise (ZTV-ING, Teil 5, Tunnelbau, Abschnitt 1 und in die offene Bauweise (ZTV-ING, Teil 5, Tunnelbau, Abschnitt 2) angepasste Tunnelbetonrezepturen und verschiedene Probekörpergeometrien untersucht. Mit der Durchführung des Forschungsprojektes sollte insgesamt der Nachweis des positiv wirksamen Einflusses von PP-Fasern auf das Brand- und Abplatzverhalten von ZTV-ING-konformen Tunnelbetonen für die Anwendung in Straßentunneln erbracht und zudem im Großversuch gezeigt werden, dass es möglich ist, fasermodifizierte Tunnelbetone mit Praxis üblichen Einbaukonsistenzen zielsicher herzustellen.
Im Jahr 1981 wurde die erste Versuchsstrecke mit einer Betondecke auf einer Tragschicht mit hydraulischem Bindemittel und einer Vliesstoffzwischenschicht hergestellt. Es zeigte sich, dass bei dieser Bauweise Probleme in Form von Plattenpumpen und Erosionen nicht auftreten. Im Rahmen von mehreren Erprobungsstrecken wurde das positive Verhalten bestätigt. Im Jahr 2001 wurden die Bauweise mit Vliesstoffzwischenschicht als eine neue Standardbauweise eingeführt und Anforderungen an die Verlegung der Vliesstoffe und die zu verwendenden Produkte festgeschrieben. Im Weiteren erkannte man, dass neben der Anwendung bei Neubaumaßnahmen der Vliesstoff auch bei der Überbauung von schadhaften Betondecken sinnvoll eingesetzt werden kann. Trotz der guten Erfahrungen blieb die Bauweise aber über Jahre eine deutsche Besonderheit, bis im Jahr 2006 eine amerikanische Delegation die Bundesanstalt für Straßenwesen besuchte und sich über Innovationen im Straßenbau informierte. Dabei wurde auch die Bauweise mit Vliesstoff vorgestellt. Man erkannte das Potenzial dieser Bauweise und im Jahr 2008 wurden zwei Versuchsstrecken mit Betondecken auf Vliesstoff in den amerikanischen Bundesstaaten Missouri und Oklahoma eingerichtet.
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.