32 Zementbeton
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Institut
Dunkelfärbung der Betonfahrbahndecke im AKR-Kontext: Ursachenanalyse mit innovativer Prüftechnik
(2019)
Die AKR-Schadensevolution von Betonfahrbahndecken ist in der Anfangsphase durch eine Dunkelfärbung der Oberfläche im Fugenbereich gekennzeichnet. Es wird vermutet, dass eine erhöhte Durchfeuchtung der Betonrandzone ursächlich für diese Erscheinung ist. Vor diesem Hintergrund wurde exemplarisch eine Fahrbahnplatte eines repräsentativen Bundesautobahnabschnitts systematisch mit verschiedenartiger zerstörungsfreier Prüftechnik vor Ort untersucht. Die Ergebnisse der zunächst erfolgten großflächigen Durchmusterung mit Radar zeigen, dass in den Bereichen mit einer Dunkelfärbung der Betonfahrbahndecke erhöhte Laufzeiten der Radarimpulse zwischen der Oberfläche und der Rückseite der Betonfahrbahndecke auftreten, was auf eine erhöhte integrale Durchfeuchtung der Betonfahrbahndecke schließen lässt. Vertiefend durchgeführte NMR-Feuchtemessungen in der Betonrandzone zeigen eine gute Korrelation zwischen erhöhtem Feuchtegehalt und der dunkel gefärbten Fahrbahnoberfläche. Die Ergebnisse beider zerstörungsfreien Prüfmethoden lassen den Schluß zu, dass die Betonfahrbahndecke in der Nähe des Fugenkreuzes eine höhere Durchfeuchtung als im Bereich der Querscheinfuge aufweist. Die geringste Durchfeuchtung besitzt die Betonfahrbahndecke in der Plattenmitte. Die mit den zerstörungsfreien Prüfverfahren ermittelten Befunde stimmen prinzipiell gut mit den punktuell mittels Darr-Wäge-Verfahren an Bohrmehlproben gewonnenen Ergebnissen überein.
Zerstörungsfreie Prüfverfahren (ZfP) zur Messung der Betondeckung sind seit Jahrzehnten bei der Ermittlung des Istzustands von Bestandsbauwerken und als Werkzeug zur Qualitätssicherung sowohl im Neubau als auch in der Betoninstandsetzung fest etabliert. Um zuverlässige Prüfaussagen zu erhalten, ist es zunächst erforderlich, durch die richtige Anwendung eines geeigneten Verfahrens genaue Messergebnisse zu erzeugen und diese dann richtig zu bewerten, z. B. durch einen statistischen Nachweis der Mindestbetondeckung. Daher konzentriert sich dieser Beitrag zunächst auf die Grundlagen von ZfPBauâ€Verfahren zur präzisen Messung der Betondeckung. Hierbei sind magnetisch induktive Verfahren von radarbasierten Verfahren zu unterscheiden, deren jeweilige Möglichkeiten und Grenzen dargelegt werden. Im zweiten Teil wird die erzielbare Genauigkeit mit unterschiedlichen Geräten nach magnetisch induktivem Messprinzip anhand von systematischen Untersuchungen betrachtet. Dabei wird quantifiziert, mit welchen Abweichungen zu rechnen ist, wenn der Durchmesser nicht genau bekannt ist und dicht benachbarte Stäbe das Messergebnis beeinflussen. Abschließend werden die verminderten Abweichungen quantifiziert, wenn geräteeigene Nachbarstabskorrekturen verwendet werden. Das Ziel dieses Beitrags ist kein "Gerätetest", vielmehr soll am Beispiel verschiedener Geräte auf der Basis unterschiedlicher Messprinzipien gezeigt werden, welche Genauigkeit unter welchen Einflussgrößen bei realen Messungen zu erzielen ist.
Im Dezember 2015 wurde die A1-Änderung zum deutschen Nationalen Anhang von DIN EN 1992-1-1 veröffentlicht. Die Änderungen betreffen u. a. den Ansatz der wirksamen Betonzugfestigkeit bei der Ermittlung der Mindestbewehrung zur Begrenzung der Rissbreiten bei frühem Zwang. Der nachfolgende Beitrag erläutert die Hintergründe, warum eine entsprechende A1-Änderung zu DIN EN 1992-2/NA nicht erfolgt. Als Begründung für diese unterschiedliche Vorgehensweise werden die wesentlichen Unterschiede zwischen dem Hochbau und dem Brückenbau dargestellt.
Bewertung der strukturellen Substanz für die systematische Erhaltungsplanung von Betonfahrbahndecken
(2017)
"Mobilität ist die zentrale Vorrausetzung für wirtschaftliches Wachstum, Beschäftigung und Teilhabe des Einzelnen am gesellschaftlichen Leben". Dieser Leitsatz des BMVI setzt eine intakte und funktionierende Infrastruktur voraus. Im Kontext mit dem Investitionshochlauf in den nächsten Jahren ist das Bundesfernstraßennetz insbesondere ein netzbezogenes systematisches Vorgehen im Rahmen der Baulichen Erhaltung von Relevanz. Bei der Planung von Erneuerungsmaßnahmen ist dabei die Kenntnis über den Zustand der strukturellen Substanz und deren langfristige Entwicklung von zentraler Bedeutung. Nachfolgend wird ein Verfahren vorgestellt, das die mechanisch und statisch abgesicherte Bewertung und Prognose der strukturellen Substanz von Betonfahrbahndecken ermöglicht. Zudem werden die Anwendung und das Vorgehen anhand eines Praxisbeispiels aufgezeigt.
Bei der Nachrechnung älterer Spannbetonbruecken mit Hohlkastenquerschnitt werden derzeit häufig grosse rechnerische Defizite beim Nachweis der schubfesten Verbindung zwischen gedrückter Bodenplatte und den Stegen im Bereich der Zwischenunterstützungen festgestellt. Neben erhöhten Beanspruchungen als Folge stetig wachsender Verkehrslastzahlen sind diese Defizite im Wesentlichen auf die mit Einführung der DIN-Fachberichte für den Brückenbau im Jahr 2003 geänderten Bemessungsvorschriften zurückzuführen. In Deutschland erfolgt die Ermittlung des Tragwiderstands im Grenzzustand der Tragfähigkeit (GTZ) seither auf Grundlage des Fachwerkmodells mit Rissreibung. In den vorgestellten Untersuchungen wird gezeigt, dass die Übertragung dieses für Stegquerschnitte entwickelten Modells auf Druckgurte mechanisch nicht begründet ist und zu sehr konservativen Ergebnissen führt. Auf Basis der Ergebnisse numerischer und analytischer Betrachtungen werden Bemessungsmodelle entwickelt, die das Tragverhalten vorwiegend gedrückter Gurtbereiche realitätsnäher erfassen. Die Kalibrierung und Verifikation der Finite Element-Modelle erfolgt in den durchgeführten Untersuchungen stets durch den Vergleich mit Ergebnissen gut dokumentierter Versuche aus der Literatur.
Für eine fachgerechte Ausführung des Ersatzes oder Teilersatzes von Betonplatten erfordern konventionelle Methoden ein relativ großes Zeitfenster, da die Verkehrsfreigabe ein Erreichen der erforderlichen Materialfestigkeit voraussetzt. Bei akutem Handlungsbedarf wird daher häufig eine temporäre Instandsetzung mit Asphalt vorgenommen. Seit 2012 werden Einsatzmöglichkeiten und -grenzen eines modularen Schnellreparatursystems für partiell geschädigte Betonfahrbahndecken untersucht. Dabei werden industriell vorgefertigte Betonteile in ihren Abmessungen individuell an den Schadensumfang angepasst und eingesetzt. Wichtige Aspekte stellen dabei die präzise Entfernung des geschädigten Altbetons aus der Fahrbahndecke und eine stabile Einbindung und Bettung des eingesetzten Fertigteils in den vorhandenen Straßenaufbau dar. In einem ersten Schritt wurden theoretische und technische Grundlagen erarbeitet sowie die praktische Anwendung in Orientierungsversuchen erprobt. Im Fokus der durchgeführten Untersuchungen stand die Findung der Fertigteilgeometrie im Kontext mit der Instandhaltung/Instandsetzung von geschädigten Plattenecken beziehungsweise Fugenkreuzen. Zudem wurden die Untersuchungen messtechnisch begleitet, um erste allgemeine Aussagen zur Dauerhaftigkeit zu erlangen. Aufbauend auf den gesammelten Erfahrungen erfolgte in einem zweiten Schritt die Optimierung und Weiterentwicklung des Systems. Dies betrifft im Speziellen die Schneidtechnologie zur Herstellung der verfahrensbedingt benötigten Aussparungen. Im Ergebnis entstanden spezielle Arbeitsgeräte, die eine Instandsetzung geschädigter Plattenbereiche mit kreisrunden Betonfertigteilen ermöglichen. Die Praxistauglichkeit wird gegenwärtig in ersten Anwendungen untersucht.
Es wird über eine Langzeituntersuchung, in der zugelassene Hydrophobierungsmittel der neuen Generation, darunter auch pastöse, auf ihre Wirksamkeit und Dauerhaftigkeit untersucht werden, berichtet. Die Hydrophobierung ist ein einfacher und kostengünstiger Oberflächenschutz. Sie schützt Betonoberflächen gegen Wasser und darin gelöste Schadstoffe, jedoch nicht gegen Kohlendioxid.
Betonfahrbahndecken werden seit vielen Jahrzehnten mit guten Gebrauchseigenschaften und langer Nutzungsdauer hergestellt. Um den wachsenden Anforderungen hinsichtlich der Verkehrssicherheit, der Umweltverträglichkeit und der Wirtschaftlichkeit gerecht werden zu können, ist eine stetige Weiterentwicklung erforderlich. Im September 2006 fand in Brüssel das 10. Internationale Betonstraßen Symposium statt. Im Rahmen umfangreicher Forschungsarbeiten und Studien auf Erprobungsstrecken wurden auf internationaler Ebene Untersuchungen zur Dauerhaftigkeit von Betonfahrbahnen durchgeführt. Der vorliegende Bericht stellt die Zusammenfassung von insgesamt 12 Fachbeiträgen aus 9 Nationen zum Themenblock "Kosteneffiziente und langlebige Straßen" dar.
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.
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.
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.
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.
Im Betondeckenbau sind nur normgerechte Zemente nach DIN EN 197-1 und DIN EN 1164-10 zulässig, die darüber hinaus zusätzliche Anforderungen zur Erzielung dauerhafter Gebrauchseigenschaften erfüllen müssen. Aufgrund guter Erfahrungen wurden in Deutschland überwiegend Portlandzemente CEM I der Festigkeitsklasse 32,5 R verwendet. Grundsätzlich eignen sich auch Portlandhütten-, Portlandkomposit- und Hochofenzemente. In Zukunft werden diese Zementarten häufiger eingebaut, da sie über eine günstigere Ökobilanz beim Herstellen verfügen. Die Bundesanstalt für Straßenwesen hat seit 1993 die Aufgabe, zusätzliche Kontrollprüfungen an Zementproben durchzuführen. Der Bericht stellt die zusätzlichen Anforderungen gemäß TL Beton-StB 07, Prüfungen sowie Prüfergebnisse und Tendenzen der in 2007 untersuchten Zementproben vor.
Betonfahrbahndecken können grundsätzlich in zwei Varianten ausgeführt werden: unbewehrt und bewehrt. In Deutschland ist die unbewehrte Plattenbauweise mit verdübelten Querscheinfugen im Abstand von 5 m bis heute die Standardbetonbauweise. Die Nutzungsdauer wird in den RStO mit 30 Jahren angegeben. In anderen Ländern, wie Belgien und USA, wird die Durchgehend Bewehrte Betonfahrbahndecke (DBBD) standardisiert ausgeführt. Bei dieser Bauweise werden keine Querfugen in der Betondecke hergestellt, sondern es stellt sich ein freies Rissbild mit schmalen Plattenstreifen ein. Um eine Querkraftübertragung zu sichern, wird die Riss - öffnungsweite durch die Anordnung einer durchgehenden Längsbewehrung beschränkt. Bei dieser Bauweise ist eine Nutzungsdauer von mehr als 30 Jahren vorgesehen. Beide Bauweisen können dünnschichtig überbaut werden und es entsteht die Kompositbauweise. Dies kann im Neuzustand erfolgen oder als Erhaltungsmaßnahme. Als Beläge sind Splittmastixasphalt (SMA), Offenporiger Asphalt (OPA), Dünnschichtkaltbelag (DSK) u. a. möglich. Bei der Plattenbauweise sind dann im Fugenbereich zusätzliche Maßnahmen erforderlich. Im Falle DBBD entfällt dies. Zur Sammlung erster Erfahrungen in Deutschland wurden zwei Versuchsstrecken in DBBD angelegt und zwei Strecken mit SMA überbaut, davon eine in Plattenbauweise und eine in DBBD. Über die dabei gewonnenen Erfahrungen wird berichtet und ein Konzept für die weitere Erprobung der Kompositbauweise wird dargestellt.