Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen, Reihe B: Brücken- und Ingenieurbau
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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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Ziel der Untersuchungen war es, die Leistungsfähigkeit von SVB für die Anwendung im Straßentunnelbau zu verifizieren. Insbesondere sollte geprüft werden, ob die Robustheit des SVB gegenüber den in der Baupraxis auftretenden Veränderungen bei den Ausgangsstoffen und den Herstellbedingungen ausreichend ist und ob Fehler bei der Umschließung komplizierter Einbauteile in Tunnelinnenschalen durch den Einsatz von SVB vermieden werden können. Die Untersuchungen erfolgten an einem Straßentunnelbauwerk. Im Zuge der Ausführung des Schlossbergtunnels (B 277, Ortsdurchfahrung Dillenburg, Hessen) wurde eine cirka 30 m lange Versuchsstrecke mit insgesamt 6 Innenschalenblöcken aus SVB ausgeführt. Dieses Pilotprojekt wurden durch das Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS), vertreten durch die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt), im Jahr 2003 iniziiert. Unter Beachtung der vorhandenen Ausgangsstoffe, aber auch der vorherrschenden Gegebenheiten an der mobilen Baustellenmischanlage geschuldet, wurde ein SVB der Festigkeitsklasse C30/37 konzipiert. Die Betonzusammensetzung zeichnet sich durch eine Verarbeitungszeit von mindestens 2 Stunden, eine Ausschalfestigkeit von mindestens 3 N/mm2 nach 12 Stunden und eine durch die Verwendung von Flugasche reduzierte Hydratationswärmeentwicklung aus. Die Herstellung, der Einbau und die Nachbehandlung des SVB erfolgte entsprechend einer erteilten Zustimmung im Einzelfall (ZiE) unter Beachtung des speziell für den Tunnelbau abgestimmten Qualitätsmanagementssystems (QS-Pläne, Betonier- und Nachbehandlungskonzept). Während den sechs Betonagen der Tunnelinnenschalen, welche von Ende 2005 bis Anfang 2006 stattfanden, erfolgte ein umfangreiches Bauwerksmonitoring. Dabei wurden die relevanten Frisch- und Festbetonkennwerte, wie zum Beispiel seitlicher Frischbetondruck, Frisch- und Festbetontemperaturen sowie das Verformungserhalten bis ein Jahr nach der Herstellung überwacht. Um die Ausführungsqualität des SVB quantifizieren zu können, wurden neben einer visuellen Begutachtung, auch Wasserdichtigkeitstests und zerstörungsfreie Dickenmessungen durchgeführt. Die Untersuchungen hinsichtlich der Wasserdichtigkeit zeigten, dass es keine wasserführenden Risse bei den sechs Blöcken gibt. Eine Verbesserung der Dichtigkeit bei den Blockfugen konnte nicht nachgewiesen werden. Die gesammelten Erfahrungen beim Einbau des SVB können prinzipiell als positiv bewertet werden, SVB kann den zum Teil schwierigen tunnelbauspezifischen Bedingungen standhalten. Der eingesetzte SVB hatte im Vergleich zu konventionellen Rüttelbeton keine nachteiligen Festbetonkennwerte. Wie aus zahlreichen anderen SVB-Projekten im Ingenieurbau bekannt ist, sind allerdings erhöhte Qualitätssicherungsmaßnahmen notwendig, um alle geforderten Eigenschaften zielsicher zu erreichen. Dieser Mehraufwand macht es aber notwendig, dass vor jeder Tunnelbaumaßnahme genauestens kalkuliert wird, ob und in welchen Bereichen der Einsatz von SVB sinnvoll ist. Aufgrund der gesammelten Erfahrungen wird eine weitere Verwendung von SVB im Tunnelbau, speziell in Bereichen mit komplizierten Geometrien, hohen Bewehrungsgraden und Einbauteilen, zum Beispiel Kaverne, empfohlen. Die Anwendung für die eigentliche Tunnelinnenschale ist unter technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten zu entscheiden.
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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.
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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.