Ultrahochleistungs-Faserbeton Einleitung. Normative Anforderungen. Ausschreibung

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1 Ultrahochleistungs-Faserbeton Einleitung Ultrahochleistungs-Faserbeton (UHFB), auch Ultra high performance concrete (UHPC) genannt, ist ein Beton, der sich von normal- und hochfesten Betonen durch seine Zusammensetzung, das Grösstkorn, den Fasergehalt, den w/z-wert und seine Eigenschaften deutlich abgrenzt. Charakteristisch sind die sehr hohe Druckfestigkeit von mehr als 150 N/mm2 und der geringe w/z-wert unter Durch die Zugabe eines sehr hohen Faseranteils in einem Bereich von 1 5 Vol.-% kann ein duktiles Verhalten unter Zugbelastung erreicht werden. Das duktile Verhalten beruht auf einem hohen plastischen Verformungsvermögen. Im Gegensatz zu spröden Materialien wird bei duktilen Werkstoffen das Versagen durch grosse Verformungen angekündigt. Neben den besonderen mechanischen Eigenschaften zeichnet sich UHFB durch seine sehr hohe Dauerhaftigkeit aus. Normative Anforderungen Die Einordnung von UHFB im Vergleich zu anderen Betonen bezüglich der mechanischen Eigenschaften, der Zusammensetzung und der gültigen Normen ist in Tabelle dargestellt. UHFB fällt aufgrund seiner Zusammensetzung und der Festigkeiten nicht in den Geltungsbereich der Normen SN EN und SIA 262. Für die Bemessung und Ausführung von UHFB ist ein Merkblatt SIA 2052 in Bearbeitung. Ausschreibung UHFB wird nach seiner Verwendung für Tragwerke (z. B. zur Erhöhung der Steifigkeit und Tragfähigkeit von Brückenplatten und Hochbaudecken) oder für Instandsetzung und Verstärkung (z. B. Abdichtung, Leitmauern, Verankerungsblöcke) unterschieden. Zu den charakteristischen Eigenschaften von UHFB gehören:

2 Zugverhalten definiert durch die Zugfestigkeit fut, elastische Grenzzugfestigkeit fute, Verfestigung εutu und Entfestigung (spezifische Bruchenergie GFU, maximale Rissöffnung wut,max ) Druckfestigkeit fuc Elastizitätsmodul EU Querdehnzahl νu Temperaturausdehnungskoeffizient αu Schwindmass εus und Kriechzahl φu(t,t0) Die unterschiedlichen Eigenschaften des UHFB können in sogenannten UHFB Sorten (Tab ) zusammengefasst werden. Grundlage der Sorteneinteilung ist das Zugverhalten des UHFB. Tab : UHFB Sorten. Auch beim UHFB können zusätzliche Anforderungen entsprechend seiner Verwendung gestellt werden. Dazu gehören folgende Eigenschaften: Druckfestigkeit

3 Elastizitätsmodul Abriebwiderstand Gefälleeignung Tab : Betonarten und ihre Einordnung in die Normen. Betontechnologie Allgemeines Die besonderen Eigenschaften von UHFB, insbesondere die hohe Druck- und Zugfestigkeit und die ausgezeichnete Dauerhaftigkeit, beruhen auf folgenden, betontechnologischen Zusammenhängen: Optimierung des Korngerüsts im Bereich der Feinstanteile Die Kornzusammensetzung wird durch die Verwendung von Silikastaub im Feinstkornbereich erweitert. Damit werden auch kleinste Hohlräume ausgefüllt. Zusammen mit dem Einsatz ausgewählter, feiner Quarzsande anstelle grober Gesteinskörnungen führt dies zu einer hohen Packungsdichte mit einem homogenen Gefüge (Abb ). Während im normalfesten Beton die Gesteinskörnung den grössten Anteil ausmacht, überwiegt bei UHFB der Anteil des Zementsteins. Durch den hohen Anteil an Zementstein bildet sich kein steifes Skelett aus Gesteinskörnern. Verformungen wie Schwinden, die nur im Zementstein auftreten, werden dadurch weniger behindert, so dass Mikrorisse im Zementstein vermieden werden.

4 Abb : Die Hauptkomponenten von UHFB (v.l.n.r.): Silikastaub, Zement, Quarzsand. Reduktion des w/z-wertes UHFB hat bei ähnlicher absoluter Zugabewassermenge einen deutlich höheren Zementgehalt als normal- oder hochfeste Betone. Daraus resultiert ein deutlich geringerer w/z-wert von in der Regel unter Die mittlere Porengrösse von UHFB ist im Vergleich zu Beton deutlich kleiner und das Porensystem ist nicht vernetzt. Aufgrund des niedrigen w/z-wertes verbleibt unhydratisierter Zement als chemisch reaktiver Füller im Gefüge und stellt eine Hydratationsreserve dar. Bewehrung mit Stahl- oder Kunststofffasern Die Faserbewehrung in hoher Dosierung (1 bis 5 Vol.-%) verleiht dem hochfesten Gefüge eine hohe Duktilität und Nachrissfestigkeit. Durch die homogene Verteilung der Fasern werden Bauteile sowohl im Inneren als auch an der Oberfläche bewehrt (Abb ). Die Wirksamkeit der Fasern in UHFB hängt von Werkstoff, Gehalt, Geometrie, Verteilung und Orientierung ab. Aufgrund des in der Regel hohen Fasergehalts haben die Fasern einen massgeblichen Einfluss auf das mechanische Verhalten von UHFB. Zement Für UHFB haben sich Betonzusammensetzungen auf Basis von Portlandzementen (CEM I) mit niedrigen Alkaligehalten, Portlandkompositzementen (CEM II) und Hochofenzementen

5 (CEM III) aller Festigkeitsklassen in der Praxis bewährt. Die Verwendung von Hochofenzementen (CEM III/B) mit geringem Klinkeranteil wirkt sich vorteilhaft auf die CO2-Bilanz von UHFB aus. Abb : Vergleich praxisüblicher Faservolumen, links UHFB mit ca. 300 kg/m3 Fasern (3.8 Vol.-%) und rechts Stahlfaserbeton mit ca. 35 kg/m3 Fasern. Gesteinskörnung In der Regel werden je nach Anforderungen und Leistungsfähigkeit nur Sande mit einem Grösstkorn kleiner als 2 mm verwendet. Zum Einsatz kommen Quarzsande und -mehle mit ausgewählter Sieblinie, wobei z. B. Ausfallkörnungen zu einer höheren Packungsdichte beitragen. Die Kornform beeinflusst die Konsistenz und den Wasseranspruch. Mit Vorteil werden getrocknete Sande, deren Sieblinien einer strengen Qualitätskontrolle unterzogen werden, verwendet. Zusatzmittel Um die Mischbarkeit bei den angestrebten geringen w/z-werten von kleiner als 0.25 zu erreichen, sind hochwirksame Fliessmittel in hoher Dosierung erforderlich (ca. 1 2 M.-%). Sie basieren in der Regel auf der Basis von Polycarboxylaten, die optimal auf den Zement abgestimmt sein müssen. Zusatzstoffe Als Zusatzstoff in UHFB ist Silikastaub sehr verbreitet. Durch die puzzolanische Reaktion des Silikastaubs entstehen zusätzliche Hydratationsprodukte, die zur Festigkeitsbildung beitragen und vor allem in der Kontaktzone zu den Fasern und zu den Gesteinskörnern den Verbund verbessern. Bei der Verwendung von Stahlfasern haben sich Faserdurchmesser von 0.10 bis 0.15 mm

6 und Faserschlankheiten im Bereich von 40 bis 80 (Längen-Durchmesserverhältnis) als guter Kompromiss zwischen Verarbeitbarkeit und Wirksamkeit bewährt. Für Bauteile mit geringen Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften werden auch Polyvinylalkoholfasern (PVA) verwendet. Herstellung UHFB wird als Trockengemisch (z. B. Holcim 707 und 710) oder als Frischbeton ab Werk angeboten. Eine Herstellung im Transportbetonwerk ist i. d. R. nur für einen UHFB mit fliessfähiger Konsistenz oder für geringe Transportzeiten möglich. Die folgende Mischreihenfolge der einzelnen Komponenten hat sich in der Praxis bewährt: Hälfte aller Pulverkomponenten Zugabewasser mit Fliessmittel andere Hälfte aller Pulverkomponenten Fasern. Die Dosierung von Wasser und Fliessmittel muss mit grosser Genauigkeit erfolgen. Erfahrungsgemäss sind die meisten Zwangsmischer zur Herstellung von UHFB geeignet. Aufgrund der hohen Schlankheit und Dosierung der Fasern ist besonders auf ihre Vereinzelung und homogene Verteilung im Frischbeton zu achten. Die Mischzeit liegt je nach Art des Mischers, der Chargengrösse und der Faserzugabe im Bereich von 10 bis 20 Minuten. Konsistenz UHFB kann in unterschiedlichen Konsistenzen hergestellt werden. Für geschalte Bauteile wird fliessfähiger, selbstverdichtender UHFB mit einem Setzfliessmass von annähernd 800 mm verwendet (Abb 7.3.3). Die Konsistenz ist honigartig und von hoher Viskosität geprägt, so dass das Setzfliessmass erst nach ca. 1 Minute erreicht wird. Ähnlich wie bei SCC (Selbstverdichtender Beton) muss der Zementleim in der Lage sein, die Fasern in der Schwebe zu halten. Die Entlüftung und Verdichtung erfolgt während des Fliessens unter dem Einfluss der Schwerkraft. Fliessfähige UHFB-Varianten mit bis zu 2 Vol.-% Stahlfasern können mit Mörtelpumpen gepumpt werden. Für Anwendungen mit Gefälle, z. B. Schutzschichten auf Brücken, existieren UHFB-Typen, die in Abhängigkeit von der Schichtdicke mit bis zu 8 % Neigung eingebaut werden können (Abb ). Dabei muss die Abstimmung und Dosierung von Wasser und Fliessmittel sehr sorgfältig vorgenommen werden. Einbau und Verdichtung Fliessfähiger UHFB wird in die Schalung eingefüllt und verteilt sich unter dem Einfluss der Schwerkraft. Um das Einfliessen in enge Schalungen zu erleichtern,

7 können Schalungsvibratoren eingesetzt werden. Dabei ist darauf zu achten, dass keine Entmischung von Matrix und Fasern eintritt. Bei Arbeitsunterbrüchen müssen die Stösse im Frischbeton kräftig durchmischt werden, um eine durchgehende Faserbewehrung sicher zu stellen.

8 Abb : Fliessfähiger UHFB (oben), UHFB mit Gefälleeignung 8 % (unten).

9 Die Anforderungen an die Schalungen sind sehr hoch. Aufgrund der hohen Fliessfähigkeit muss die Schalung sehr dicht sein. Der Schalungsdruck des Frischbetons entspricht dem hydrostatischen Druck. Durch den hohenanteil an feinen Bestandteilen und aufgrund der Fliessfähigkeit werden Texturen der Schalung sehr genau auf der Betonoberfläche abgebildet. Dünnschichtiger, thixotroper UHFB in flächigen, horizontalen Anwendungen kann mit einem Vibrationsbalken bearbeitet werden. Bei dem Einbau von UHFB-Schichten auf bestehenden Beton muss der Untergrund sorgfältig vorbereitet werden (Abb und 7.3.5). Es muss nicht nur die Zement- haut vollständig entfernt sondern eine Rautiefe von ca. 2 3 mm erzeugt werden. Der Untergrund muss vorgängig wassergesättigt werden. Es gelten die gleichen Anforderungen wie bei der Betoninstandsetzung mit hydraulisch gebundenen Werkstoffen. Nachbehandlung Aufgrund des geringen w/z-wertes von UHFB kommt der Nachbehandlung eine besondere Bedeutung zu. Jeder Wasserverlust ist unbedingt zu vermeiden. UHFB ist direkt nach dem Einbau mit Folie abzudecken und vor Umwelteinflüssen (Wind, Sonne, Regen, Kälte) zu schützen. Durch eine Wärmebehandlung (kontrollierte Zufuhr von Wärme und Feuchte) kann die Festigkeit weiter gesteigert und das Schwinden innerhalb kurzer Zeit stabilisiert werden. Die Nachbehandlungsdauer liegt in der Regel zwischen 5 bis 7 Tagen. Sicherheit Von den in UHFB verwendeten Stahlfasern geht eine erhebliche Verletzungsgefahr durch Eindringen in die Haut oder Augen aus. Es sind geeignete Schutzmassnahmen vorzusehen. Des Weiteren gelten die üblichen Vorsichtsmassnahmen bei Arbeiten mit Zement und Silikastaub.

10 Abb : Einbau der UHFB-Verstärkungs-, Abdichtungs- und Deckschicht auf einer Brücke.

11 Abb : Abziehen des UHFB mit dem Vibrierbalken. Hinweise für das Planen von Ultrahochleistungs-Faserbeton Anwendungsgebiete UHFB kann im Neubau oder in Verbindung mit bestehenden Betonbauten zum Schutz und

12 zur Verstärkung eingesetzt werden. Durch die Verwendung von UHFB können Bauteilabmessungen und Eigenlasten minimiert werden. In Abbildung sind Querschnitte von Biegeträgern dargestellt, die vergleichbare Tragfähigkeiten aufweisen. Mit UHFB können bei annähernd gleichem Eigengewicht ähnliche Abmessungen wie mit Stahlträgern erreicht werden. Die Verbindung von UHFB mit vorgespannter Bewehrung in der Haupttragrichtung ist dabei sinnvoll. Abb : Trägerquerschnitte mit vergleichbarer Tragfähigkeit aus unterschiedlichen Materialien, Neubau. Bei der Verstärkung von Stahlbetonbauteilen wird eine dünne Schicht aus UHFB oder bei erhöhten Anforderungen aus UHFB mit zusätzlicher Bewehrung aufgebracht (Abb ). Grundsätzlich ist es sinnvoll, UHFB gezielt in den Bauwerksbereichen einzusetzen, die stark exponiert sind und daher besonderer mechanischer Eigenschaften und erhöhter Dauerhaftigkeit bedürfen. Eine Verdübelung mit dem Untergrund ist i. d. R. nicht notwendig.

13 Abb : UHFB als Schutzund Verstärkungsschicht für Stahlbetonbauteile. Verhalten unter Zugbelastung Durch die Faserbewehrung erreicht UHFB eine Zugfestigkeit, die jene des normalfesten Betons deutlich übersteigt, und die damit auch rechnerisch berücksichtigt werden kann. Das Verhalten von UHFB unter direkter Zugbelastung ist durch drei Phasen elastisch, verfestigend und entfestigend gekennzeichnet (Abb ): Elastisches Verhalten: Lineare Verformungszunahme bei steigender Belastung, vollständiger Rückgang der Verformung bei Entlastung. Verfestigendes Verhalten: Verformungszunahme bei steigender Belastung mit der Bildung von fein verteilten Rissen mit geringer Rissbreite (Mikrorisse) und bleibender Verformung bei Entlastung. Die Verfestigung tritt nur auf, wenn der Fasergehalt so hoch ist, dass die Fasern die Kraft vollständig übernehmen können. Bei zu geringem Fasergehalt tritt keine Verfestigung auf und es erfolgt die Entfestigung direkt im Anschluss an den elastischen Bereich. Entfestigendes Verhalten: Abnahme der Zugspannungen bei zunehmenden Verformungen, die konzentriert in einem Riss auftreten, der sich zunehmend öffnet, wobei die Fasern ausgerissen werden. Die Zugspannungen nehmen progressiv ab bis zur vollständigen Trennung der beiden Rissflanken. Die maximale Rissöffnung entspricht ungefähr der hlaben Faserlänge.

14 Abb : Schematische Darstellung des Zugverhaltens von UHFB mit 4 Vol.-% Stahlfasern. Kriechen und Schwinden Aufgrund des hohen Zementsteinanteils und des niedrigen w/z-wertes kann UHFB ein vergleichsweise hohes Endschwindmass von bis zu 1 erreichen. Das Schwinden tritt fast ausschliesslich in Form von autogenem Schwinden auf. Das Kriech- bzw. Relaxationsvermögen von UHFB ist ebenfalls höher als bei normalfesten Betonen. Spannungen, die aus behindertem Schwinden entstehen, werden durch Relaxation teilweise abgebaut. Zusammen mit der hohen Zugfestigkeit und dem Verformungsvermögen (Verfestigung) aufgrund der Faserbewehrung bleibt verfestigender UHFB auch bei hohen Einspanngraden rissfrei und dauerhaft. Dies ist insbesondere bei der Anwendung von UHFB als Schutz- und Verstärkungsschicht auf bestehenden Betonbauteilen von Bedeutung (Abb ). Dauerhaftigkeit Das dichte Gefüge von UHFB bewirkt einen sehr hohen Widerstand gegen das Eindringen von Gasen und Flüssigkeiten. Daraus leiten sich ein hoher Karbonatisierungs-, Chlorid-, Sulfat-und Frost-Tausalzwiderstand ab. Gegenüber Säureangriffen besteht eine grosse chemische Beständigkeit. Bewehrung und Stahlfasern in UHFB sind auch bei geringerer Bewehrungsüberdeckung als bei herkömmlichen Betonen geschützt. Bei bewehrtem UHFB beträgt die Bewehrungsüberdeckung für geschalte Flächen 10 mm und für ungeschalte Flächen 15 mm. Die Korrosion oberflächennaher Stahlfasern stellt allenfalls ein ästhetisches Problem dar, hat aber keine Auswirkungen auf die Dauerhaftigkeit. Abrieb- und Stossbelastungen werden aufgrund des kompakten Gefüges

15 und der grossen Duktilität durch die Stahlfasern sehr gut ertragen. Die Kontrolle der Rissbildung und der Rissbreiten durch die Bewehrung mit Stahlfasern trägt ebenfalls zur Dauerhaftigkeit bei. Abb : Vorgefertigter Bachdurchlass, dessen Oberseite eine Schutzschicht aus UHFB erhält.

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17 Abb : Bushaltestelle aus UHFB. Brandwiderstand Für UHFB gelten bezüglich Brandwiderstand die gleichen Hinweise wie für hochfeste Betone (siehe Hochfester Beton).