Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen, Reihe B: Brücken- und Ingenieurbau
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Tiefenabhängige Feuchte- und Temperaturmessungen an einer Brückenkappe der Expositionsklasse XF4
(2008)
Das Forschungsvorhaben hatte zum Ziel, Erkenntnisse zur zeitlichen Entwicklung des Wassergehalts sowie der Temperaturbeanspruchung im Kappenbeton von Brücken zu erhalten. Bei den Untersuchungen wurde der Wassergehalt im Luftporenbeton der Kappe indirekt über die Messung des tiefenabhängigen Elektrolytwiderstands des Betons bestimmt. Dabei wurde gleichzeitig die tiefenabhängige Temperatur aufgezeichnet. Für die Versuche wurde die Brückenkappe einer bestehenden Brücke über eine Autobahn im Sauerland nachträglich mit Multiring-Elektroden und Temperatursensoren ausgerüstet. Die Messungen erfolgten als Dauermessungen über einen Zeitraum von dreieinhalb Jahren in Tiefen zwischen 7 mm und 87 mm unter der Oberkante der Kappe und begannen etwa fünf Jahre nach Fertigstellung des Bauwerks. Im Beobachtungszeitraum lag die Wassersättigung zwischen der im Labor ermittelten Wassersättigung unter atmosphärischem Druck und der hygroskopischen Sättigung, die sich nach Lagerung bei 95 Prozent relativer Luftfeuchte einstellt. Zusammenhänge zwischen dem Sättigungsgrad im Kappenbeton und den Witterungsbedingungen konnten im untersuchten Tiefenbereich (7 mm bis 87 mm) nicht festgestellt werden. Allerdings war in der obersten Messtiefe von 7 mm ein leichter Anstieg des Elektrolytwiderstands feststellbar. Im Beobachtungszeitraum wurden in der Kappe Minimaltemperaturen von bis zu -10 Grad Celsius bei Auftreten von Frost-Tau-Wechseln gemessen, während an Eistagen mit Temperaturen dauerhaft unter 0 Grad Celsius vereinzelt Temperaturen bis zu -15 Grad Celsius festgestellt wurden. Bei den bei Brückenkappen gegebenen Randbedingungen, insbesondere der Verwendung von Luftporenbeton, und den Messergebnissen kann von eher unkritischen Bedingungen für eine Frostschädigung ausgegangen werden. Bei dieser Aussage ist allerdings zu berücksichtigen, dass die Messdaten erst ab einem Abstand von circa 7 mm unter der Kappenoberfläche erfasst werden konnten.
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Reaktionsharzgebundene Dünnbeläge (RHD-Beläge) gemäß dem Merkblatt für reaktionsharzgebundene Dünnbeläge auf Stahl (Februar 1984) werden als Beläge bis zu einer Dicke von 15 mm auf stählernen Fahrbahnplatten und Dienststeg-, Geh- und Radwegflächen angewendet. Auf Grund der als Bindemittel verwendeten Reaktionsharze sind die meisten dieser Belagsysteme während der Aushärtung empfindlich gegen niedrige Temperaturen und eine hohe Luftfeuchte. Da sich aber auf der Baustelle diese ungünstigen Witterungsbedingungen nicht immer mit Sicherheit ausschließen lassen, sollen zukünftig nur solche Belagsysteme zugelassen werden, die ein Mindestmaß an Unempfindlichkeit gegenüber diesen Witterungsbedingungen zeigen. Basierend auf den Ergebnissen der duchgeführten Untersuchungen wurde ein Prüfungskonzept zur "Prüfung der Empfindlichkeit der verschiedenen Belagsysteme unter ungünstigen Einbaubedingungen" formuliert. Die Mindesteinbautemperatur der verschiedenen Materialien wurde ermittelt. Die Empfindlichkeit der Reaktionsharze gegenüber feuchten Zuschlägen wurde nachgewiesen und daraus Anforderungen an die Mineralstoffe und deren Lagerung auf der Baustelle abgeleitet. Es wurden die baustellenbedingten Nachteile eines zweilagigen Belagsaufbaus untersucht und aufgezeigt. Die durch die Untersuchungen gewonnenen Erkenntnisse sind durch die Bearbeitergruppe "RHD-Beläge" im Arbeitskreis 7.10.2 "Beläge auf Strahlbrücken" der Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (FGSV) bei der zur Zeit laufenden Überarbeitung des Merkblattes zu Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für die Herstellung von reaktionsharzgebungenen Dünnbelägen auf Stahl (ZTV-RHD-ST) eingearbeitet worden. Das vorgeschlagene Prüfungskonzept für die "Prüfung der Empfindlichkeit der verschiedenen Belagsysteme unter ungünstigen Einbaubedingungen" wurde in die Technischen Prüfvorschriften für die Prüfung der reaktionsharzgebundenen Dünnbeläge auf Stahl (TP-RHD-ST) aufgenommen.
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Eine Bewertung für Betone, die den Anforderungen der Expositionsklasse XF2 genügen sollen, ist derzeit nur nach dem deskriptiven Konzept möglich. Um den Frost-Tausalz-Widerstand von Betonen in der Expositionsklasse XF2 durch ein Laborprüfverfahren nachweisen zu können, wurde in den letzten Jahren das modifizierte CDF-Verfahren (XF2) entwickelt, das einen abgeschwächten Frost-Tausalz-Angriff gemäß XF2-Exposition erzeugt und eine Beurteilung des Frost-Tausalz-Widerstandes bei mäßiger Sättigung zulässt. Hierbei wird bei gleicher Abkühlrate wie beim bekannten CDF-Verfahren für die Exposition XF4 die Minimaltemperatur auf -10 -°C angehoben und die Prüfdauer auf 14 Frost-Tau-Wechsel verkürzt. Aufgrund der geringen Datenbasis war es bisher nicht möglich ein Abnahmekriterium festzulegen, mit dem für die Expositionsklasse XF2 geeignete Betonzusammensetzungen zuverlässig von ungeeigneten unterschieden werden können. Auch konnte das Prüfverfahren für eine Validierung noch nicht ausreichend charakterisiert werden. Eine Validierung des Prüfverfahrens würde es ermöglichen, Betonmischungen auch in der Expositionsklasse XF2 zu bewerten. Die Ziele des Forschungsvorhabens waren deshalb, eine Empfehlung für ein an der Praxis orientiertes Abnahmekriterium zu geben und das modifizierte CDF-Verfahren (XF2) zu validieren. Da eine Bewertung des Frost-Tausalz-Widerstands über ein Laborprüfverfahren nur dann möglich ist, wenn ein an der Praxis orientierter Grenzwert vorliegt, wurde auf Basis der Prüfung von 17 verschiedenen Betonrezepturen eine Empfehlung für ein Abnahmekriterium von 1000 g/m-² mittlerer aufsummierter Abwitterung nach 14 Frost-Tau-Wechseln gegeben. Dieses Kriterium gilt für die untersuchten Betone, die bis auf die Mindestdruckfestigkeit die Anforderungen an die DIN-Normen erfüllen. Um die Prüfstreuung des modifizierten CDF-Verfahrens (XF2) zu beurteilen und damit die Qualität des Prüfverfahrens abschätzen zu können, wurden die Präzisionsdaten in Anlehnung an DIN ISO 5725 ermittelt. Die Präzision ist ein wichtiges Kriterium für die Qualität eines Prüfverfahrens. Die Wiederholpräzision wurde am cbm der TU München durch die Prüfung von 29 Betonen mit 17 verschiedenen Zusammensetzungen bestimmt. Bei einer mittleren Abwitterung von 1500 g/m-² lag die Wiederholpräzision mit rund 13 % leicht über der Wiederholpräzision, die für das bereits bekannte CDF-Verfahren ermittelt wurde. Für eine mittlere aufsummierte Abwitterung von 1000 g/m-² ergibt sich ein Variationskoeffizient von 13,9 %. Die Präzision unter Zwischenbedingungen umfasst den Einfluss aus der Betoncharge (Zeit) sowie aus unterschiedlichen Bearbeitern und Prüfgeräten. Die in diesem Forschungsvorhaben durchgeführten Untersuchungen zeigten mit einem Variationskoeffizienten von 18% bei einer mittleren Abwitterung von 1000 g/m-² eine verhältnismäßig geringe Streuung der Prüfergebnisse unter Zwischenbedingungen. Die Vergleichspräzision gibt das Maximum der Streuung an. Sie wird durch Messungen unter veränderlichen Bedingungen (verschiedenen Labors, verschiedenen Bearbeiter und verschiedene Geräteausstattung) ermittelt. Zur Bestimmung der Vergleichspräzision wurde ein Ringversuch durchgeführt, an dem sich fünf deutsche Institute beteiligten. Untersucht wurden drei Betone, die sich deutlich in ihrem Frost-Tausalz-Widerstand unterschieden. Die Betonqualitäten konnten eindeutig voneinander unterschieden werden. Alle Institute ermittelten für jeden Beton eine Steigung im Abwitterungsverlauf, die der erwarteten Schädigung entsprach. Bei einer mittleren Abwitterung von 1000 g/m-² ergab sich ein Variationskoeffizient unter Vergleichsbedingungen von 26 %. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass das modifizierte CDF-Verfahren (XF2) gemäß DIN EN ISO 17025 validiert ist. Die Korrelation zur Praxis wurde bereits in einem vorangegangen Forschungsvorhaben festgestellt. Für die hier untersuchten Betone wurde ein Abnahmekriterium von 1000 g/m-² mittlerer aufsummierter Abwitterung nach 14 Frost-Tau-Wechseln abgeleitet. Die Präzision des modifizierten CDF-Verfahrens (XF2) liegt in der Größenordnung anderer etablierter Festbetonprüfungen (zum Beispiel der Druckfestigkeitsprüfung). Demnach liefert das modifizierte CDF-Verfahren (XF2) reproduzierbare und präzise Ergebnisse.
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Die Innenschalen von Straßentunneln in geschlossener Bauweise werden in der Regel als Stahlbetonkonstruktion ausgeführt. Die Ausführung unbewehrter Tunnelinnenschalen kann für den Bauherrn eine erhebliche Kostenersparnis bedeuten, da die Kosten für die Bewehrung und deren Einbau eingespart werden. Unbewehrte Innenschalen für Straßentunnel in geschlossener Bauweise wurden in der Vergangenheit bei einzelnen Projekten in Deutschland bereits ausgeführt. Die Anforderungen an die bauliche Durchbildung und an die Gebrauchstauglichkeitseigenschaften wurden aufgrund fehlender Regelungen in den ZTV-ING objektspezifisch festgelegt. Die im Rahmen dieses Forschungsprojektes durchgeführte Auswertung der Erfahrungen mit unbewehrten Innenschalen zeigt, dass viele der Tunnel eine hohe Anzahl von Rissen und Betonabplatzungen in den unbewehrten Bereichen aufweisen. Die hier erforderlichen nachträglichen Instandsetzungsmaßnahmen führen häufig zu hohen Kosten und Beeinträchtigungen der Tunnelverfügbarkeit. Als Fazit aus diesen Erfahrungen kann der Einsatz von unbewehrten Innenschalen nur in Ausnahmefällen bei vorliegenden besonders günstigen Randbedingungen empfohlen werden. Neben einer günstigen Geologie zählen hierzu noch weitere Parameter, die im vorliegenden Bericht ausführlich dargelegt werden. Zur Vermeidung vertragsrelevanter Probleme bei der Ausführung unbewehrter Innenschalen wird eine klare Festlegung der Gebrauchstauglichkeitseigenschaften der fertigen Tunnelinnenschale empfohlen. Bezüglich der zulaäsigen Rissweiten in unbewehrten Innenschalen wird die Anwendung der Vorgaben aus der Ril 853, Modul 853.4004 empfohlen. In den ZTV-ING sollten für den Sonderfall einer unbewehrten Innenschale auch weiterhin keine speziellen Anforderungen festgelegt werden. Kriterien für die Anwendung unbewehrter Innenschalen wurden im Rahmen dieses Forschungsprojektes erarbeitet und sollten bei Bedarf den Straßenbauverwaltungen der Länder und den Planern zur Verfügung gestellt werden.
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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.
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Im Rahmen des Forschungsprojektes wurden Qualitätsunterschiede von marktgängigen Hydrophobierungsmitteln sowie deren Dauerhaftigkeit im Hinblick auf die wasserabweisende Wirkung untersucht. Um die formulierte Zielsetzung zu erfüllen, wurden Betonplatten mit 14 verschiedenen Hydrophobierungsmitteln nach einer festgelegten Applikationsmethode behandelt. Anschließend wurden die hydrophobierten Platten für eine Dauer von 5 Jahren der freien Witterung ausgesetzt. Die erste Messung fand jeweils 28 Tage nach der Behandlung mit einem Hydrophobierungsmittel statt. Danach wurden die Messungen alle 6 Monate wiederholt. Mit den Messungen wurde im November 1989 begonnen. Sie wurden im Frühjahr 1995 abgeschlossen. Es wurden insgesamt 3 Versuchsreihen durchgeführt, die sich voneinander entweder durch verschiedene Feuchtegehalte der zu hydrophobierenden Betonplatten (3,5 Gewichtsprozent in Versuchsreihe 1 und 3 beziehungsweise 4,5 Gewichtsprozent in Versuchsreihe 2) oder aber durch die verschiedenen Hersteller (extern - Versuchsreihe 1 und 2, BASt - Versuchsreihe 3) unterscheiden. Eine ausreichende Hydrophobierungsqualität der Betonplatten der Versuchsreihe 1 wurde nur mit 2 Produkten erreicht. Die Hydrophobierungsqualität bleibt bei diesen Produkten über 5 Jahre nahezu unverändert. In der Versuchsreihe 2 konnte mit keinem der 13 Hydrophobierungsprodukte eine ausreichende Qualität erreicht werden. Eine erneute Hydrophobierung nach 2-monatiger Austrocknungszeit der Betonplatten führte dazu, dass mit 7 Produkten eine ausreichende Hydrophobierungsqualität erreicht werden konnte. Die Qualität bleibt jedoch nur für 5 Produkte über die Versuchsdauer von 4 Jahren unverändert. In 3 Fällen wurde mit allen 5 Produkten eine sehr gute Hydrophobierungsqualitaet erzielt, die über eine Versuchsdauer von 4,5 Jahren nahezu konstant blieb.
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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.