Hochfester Beton Einleitung

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1 Hochfester Beton Einleitung Hochfeste Betone in Form von schlanken Stützen werden häufig im Wohn- und Gewerbebau eingesetzt. Durch die Wahl von geeignetem Zement, Zusatzstoffen und hochwertiger Gesteinskörnung, der Optimierung des ganzen Betongefüges sowie sehr geringen w/z-werten von etwa 0.25 bis 0.40 können hohe Druckfestigkeiten von 80 bis 130 N/mm2 erreicht werden. Das daraus resultierende dichte Betongefüge mit geringem Kapillarporenanteil führt zur hohen Druckfestigkeit des Betons. Leistungsfähige Fliessmittel gewährleisten auch bei geringen Wassergehalten des Betons eine gute Verarbeitbarkeit. Die Vorteile von hochfestem Beton sind: hohe Druckfestigkeit ermöglicht Bauteile mit geringen geometrischen Abmessungen Reduktion des Bewehrungsgehaltes möglich für Druckelemente In der Schweiz findet hochfester Beton vorrangig Verwendung im Fertigelementbau. Dabei werden deutlich geringere Bauteilabmessungen und in der Folge reduzierte Transportkosten von Stützen, Wandelementen und Masten (Abb ) erreicht. Die höhere Dichtigkeit des Betons und der Widerstand gegen mechanische und chemische Einflüsse wird für Elemente von Brücken, Schutzbauwerken und Kraftwerken vorteilhaft genutzt (Abb ). Anwendungen als Transportbeton finden sich vereinzelt für Ortsbetonstützen oder für vorgespannte Brückenplatten zur Querschnittsreduzierung der Bauteile.

2 Abb : Ovale Hochbaustützen, Druckfestigkeitsklasse C80/95.

3 Abb : Brückenelemente, Druckfestigkeitsklasse C80/95. Normative Anforderungen Ausschreibung Hochfester Beton unterliegt den Anforderungen der Norm SN EN Dabei wird zwischen hochfestem Beton der Festigkeitsklassen C 55/67 bis C 100/115 und hochfestem Leichtbeton der Klassen LC 55/60 bis LC 80/88 unterschieden. In Tabelle sind nur die hochfesten Normalbetone aufgeführt, weil hochfeste Leichtbetone in der Schweiz bislang nicht eingesetzt werden. Die nachfolgenden Ausführungen beziehen sich deshalb einzig auf hochfeste Normalbetone. Konformitätsnachweis In der Norm SN EN 206-1, informativer Anhang H, sind zusätzliche Vorschriften für hochfesten Beton aufgeführt, welche Hinweise für eine geeignete Überwachung der Ausgangsstoffe, der Produktionsanlage und der Herstellung zusammenfasst. Für die Überwachung und den Nachweis des hochfesten Betons gelten dieselben Regeln wie für

4 normalfeste Betone. Nicht zulässig ist jedoch die Bildung von Betonfamilien (siehe Konformitätsprüfung). Tab : Druckfestigkeitsklassen von hochfestem Beton nach Norm SN EN Betontechnologie Zement Von allen zugelassenen Zementen eignen sich diejenigen mit der Festigkeitsklasse 52,5 N oder R besonders für hochfesten Beton. Die Zementgehalte liegen üblicherweise zwischen 380 kg/m3 und 450 kg/m3 bei vibrierten Betonen mit einem Grösstkorn von 16 mm. Aufgrund des geringen Wassergehaltes kann ein signifikanter Anteil des Zementes nicht hydratisieren und verbleibt als chemisch reaktiver Füller im Gefüge. Zugabewasser Für hochfeste Betone ist die Verwendung von Restwasser nicht empfohlen, da die

5 Feinststoffe und Restmengen verschiedener Zusatzmittel den Wasseranspruch und damit die Konsistenz beeinflussen können. Weist das Restwasser nur geringe Restwasserdichten auf und unterliegt nur geringen Schwankungen, kann eine Verwendung ohne Nachteile möglich sein. Gesteinskörnung Beim normalfesten Beton findet das Versagen unter Druckbelastung infolge Querdehnung stets in der Kontaktzone zwischen Gesteinskorn und Zementstein sowie im Zementstein statt. Im hochfesten Beton wird die hohe Druckfestigkeit vor allem durch die Verbesserung dieser Kontaktzone zwischen Zementstein und Gesteinskörnung, durch den geringen w/z- Wert und der entsprechend geringen Porosität, erreicht (siehe Gefüge des Zementsteins). Dies gilt grundsätzlich für runde und gebrochene Gesteinskörnung und wird im Bruchbild hochfester Betone deutlich sichtbar. Der Bruch verläuft hier nicht mehr hauptsächlich in der Kontaktzone entlang der Gesteinskörnung, sondern durch das Gesteinskorn (Abb ).

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7 Abb : Bruchbilder von normalfestem Beton (oben) und hochfestem Beton (unten). Im Wesentlichen wird der Wasseranspruch eines Korngemisches durch den Sand bestimmt. Um den gewünschten tiefen Wassergehalt im hochfesten Beton zu erreichen, sollte der verwendete Sand deshalb neben einer stetigen Korngrössenverteilung einen geringen Gehalt an Feinanteilen sowie eine hohe Gleichmässigkeit aufweisen. Auf Brechsand sollte wegen des erhöhten Wasseranspruches weitgehend verzichtet und der Anteil an ungeeigneten Bestandteilen auf maximal 3 M.-% begrenzt werden. Bei Festigkeitsklassen > C80/95 empfiehlt sich die Verwendung von Hartgesteinen im Kies ab 4 mm. Dazu zählen Kieselkalke, kieselige Sandsteine, dichte feinkörnige Kalke, feinkörnige kristalline Gesteine und Grüngesteine. Das Grösstkorn von hochfestem Beton wird in der Regel auf 16 mm (bei Splitten 22 mm) begrenzt. Bei sehr hohen Bewehrungsgehalten kann das Grösstkorn auf 8 mm, bei gebrochenem Korn auf 11 mm herabgesetzt werden. Zusatzmittel Zur Gewährleistung einer verarbeitungsfähigen Konsistenz trotz des geringen Wassergehaltes werden Fliessmittel mit hoher Verflüssigungswirkung, z. B. Polycarboxylate verwendet. Für die Herstellung von hochfestem Beton in der Vorfabrikation werden diesen Fliessmitteln noch beschleunigende Komponenten zugesetzt, die ein frühes Ausschalen und Nachbearbeiten (Glätten nicht geschalter Flächen) erlauben. Zusatzstoffe Inerte Zusatzstoffe eignen sich wegen ihres hohen Wasseranspruchs nicht für die Herstellung von hochfestem Beton. Von den reaktiven Zusatzstoffen kommen hauptsächlich Silikastaub und Flugasche zur Anwendung. Etwa ab einer Festigkeitsklasse C70/85 wird hochfestem Beton Silikastaub zugesetzt. Er verdichtet das Zementsteingefüge, insbesondere in der Kontaktzone zwischen Zementstein und Gesteinskörnung (siehe Gefüge des Zementsteins). Die Dosierung von pulverförmigem Silikastaub ist aufgrund seiner Feinheit und Neigung zur Agglomeration und der Gefahr einer AAR nicht unbedenklich (siehe AAR-beständiger Beton). Daher sollte bevorzugt Portlandsilikastaubzement (z. B. Fortico 5R) verwendet werden. Durch die gemeinsame Vermahlung von Zementklinker und Silicastaub können eine gleichmässige Dosierung, Verteilung, Homogenität und damit ein wirksamer Aufschluss gewährleistet werden.

8 Flugasche wird wegen des geringen Wasseranspruches als Zementersatz bei hochfestem selbstverdichtenden Beton verwendet. Auch für hochfesten Beton mit geringer Hydratationswärmeentwicklung kann der Einsatz von Flugasche vorteilhaft sein. Herstellung Da der Sand den höchsten Feuchtigkeitsgehalt aufweist, muss dessen Wassergehalt genau bestimmt und zusammen mit dem Wassergehalt der groben Gesteinskörnung beim Zugabewasser berücksichtigt werden. Wegen der geringen Wassermenge und der längeren Aufschlusszeit des Fliessmittels wird eine leicht verlängerte Mischzeit empfohlen, d. h. abhängig von der Mischintensität mindestens 90 Sekunden, bei hochfestem SCC mindestens 120 Sekunden. Konsistenz Transport Einbau Hochfester Beton im Transportbetonwerk wird in der Regel in plastischer bis weicher Konsistenz, Konsistenzklasse C3, hergestellt und ist deutlich thixotroper als normalfester Beton. Deshalb benötigt er einen höheren Aufwand beim Einbringen, Verteilen und Verdichten (doppelte Verdichtungsdauer). Soll hochfester Beton, insbesondere solcher mit erhöhten Splittanteilen, gepumpt werden, reduziert sich die Pumpleistung wesentlich. Die möglichen Fördermengen sind ggf. zu halbieren. In der Vorfabrikation wird hochfester Beton meist als SCC hergestellt, wodurch Mehraufwendungen für Einbau und Verdichtung entfallen. Hochfester Beton musss in Fahrmischern transportiert werden. Diese sind vor der Beladung auf Spülwasserreste zu kontrollieren und ggf. nochmals zu entleeren. Vor der Entladung den Betons auf der Baustelle sollte hochfester Beton nochmals mindestens 2 Minuten durchgemischt werden. Nachbehandlung Für hochfeste Betone sollte unabhängig von den vorgesehenen Expositionsklassen mindestens die Nachbehandlungsklasse NBK 3 gewählt werden. Die Massnahmen zum Schutz des Betons müssen jedoch unbedingt unmittelbar nach der Fertigstellung der Betonoberfläche beginnen, da durch den niedrigen Wassergehalt im Beton ein erhöhtes Risiko von vorzeitigem Wasserentzug in der Betonrandzone besteht. So können flächige Bauteile mit feuchten Jutebahnen und einer darüber liegenden Folie vor dem Austrocknen geschützt werden. Massige Bauteile müssen sowohl vor Austrocknung als auch vor Auskühlung geschützt werden, um Risse aus

9 Temperaturspannungen zu vermeiden (Abb ). Dazu können zusätzlich zur Folie noch Wärmedämmmatten aufgelegt werden. Bei geschalten Elementen im Elementbau übernimmt die Schalung den Schutz des Betons.

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11 Abb : Hochfester Beton der Druckfestigkeitsklasse C80/95 in massigen Steinschlagwürfeln, oben Nachbehandlung mit Wärmedämmmatten und unten vor dem Einsatz zur Prüfung von Steinschlagschutznetzen. Hinweise für das Planen von hochfestem Beton Bemessung In der Norm SIA 262 Betonbau sind die Grundlagen der Bemessung von Tragwerken aus Beton festgelegt, die auch für hochfesten Beton gelten. Hochfester Beton weist neben der hohen Druckfestigkeit auch eine höhere Zugfestigkeit und einen höheren E-Modul auf. Richtwerte sind in der Norm SN EN (Eurocode 2) zu finden. In Tabelle sind die wichtigsten Kennwerte aufgeführt. Die in Tabelle aufgeführten E-Moduli gelten für hochfeste Betone mit Alluvialkiesen. Bei anderen Gesteinsarten sind die Rechenwerte anzupassen. In Abbildung ist ein Vergleich für eine Stützenbemessung mit hochfestem Beton und normalfestem Beton schematisch dargestellt. Mit hochfesten Betonen sind Bauteile mit geringen geometrischen Abmessungen oder mit reduzierter Längsbewehrung möglich. Schwinden und Kriechen Das zeitabhängige Verformungsverhalten von hochfestem Beton wird durch das verringerte Porenvolumen, den höheren E-Modul und der erhöhten Dichtigkeit beeinflusst. Die wesentlichen Veränderungen gegenüber normalfestem Beton sind: das autogene Schwinden ist wesentlich höher das Trockenschwinden nimmt mit zunehmender Festigkeit deutlich ab die Kriechverkürzung nimmt mit zunehmender Festigkeit ab, der Endwert wird in kürzerer Zeit erreicht Das Gesamtschwinden von hochfestem Beton ist aufgrund des hohen autogenen Schwindens anfangs höher als bei normalfestem Beton. Aufgrund des geringeren Trockenschwindens ergibt sich jedoch insgesamt ein geringeres Endschwindmass gegenüber normalfestem Beton (siehe Elastizitätsmodul). Der im hochfesten Beton deutlich beschleunigte Erhärtungsfortschritt führt auch zu einer sehr

12 schnellen Freisetzung der Hydratationswärme. Bei verformungsbehindert gelagerten Betonbauteilen überlagert sich im jungen Alter die Zwangsbeanspruchung infolge Hydratationswärme mit dem autogenen Schwinden. Daher weist hochfester Beton im Vergleich zum normalfesten Beton eine höhere Rissneigung im jungen Alter auf.

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14 Abb : Querschnitt einer Stütze aus hochfestem und normalfestem Beton. Tab : Mechanische Eigenschaften hochfester Betone. Brandeinwirkung Das Verhalten von hochfestem Beton unter Brandeinwirkung unterscheidet sich von dem eines normalfesten Betons. In Brandversuchen zeigen hochfeste Betone eine Neigung zu Betonabplatzungen. Ursache dieses Verhaltens ist das deutlich verringerte Transportvermögen für Wasserdampf in dem sehr dichten Gefüge. Bei der Erwärmung über 100 C wird das physikalisch und chemisch gebundene Wasser freigesetzt und verdampft. Dieser Dampfdruck führt zu grossen Zugspannungen im Bauteil und kann Abplatzungen verursachen. Deshalb wird in der Norm SIA 262 als besondere Massnahme die Zugabe von Polypropylenfasern (PP) empfohlen. Diese PP-Fasern schmelzen bei ca. 170 C und bilden Dampfentlastungskanäle im Betongefüge, so dass das Abplatzen wirkungsvoll vermieden werden kann. Dazu wird für jeden hochfesten Beton sowohl der geeignete Fasertyp als auch die richtige Fasermenge bestimmt (Abb und 7.2.7). Die Wirksamkeit von besonderen Massnahmen (Verwendung von PP-Fasern) muss in Brand-Prüfungen nachgewiesen werden. Wird die Bemessung nach der Norm SN EN (Eurocode 2) durchgeführt, können alternativ zur Verwendung von PP-Fasern für die Versagensart Abplatzen des Überdeckungsbetons, Verbundversagen oder Ausknicken der Druckbewehrung, auch konstruktive Massnahmen ergriffen werden. Dazu zählen die Erhöhung der Bewehrungsüberdeckung, die Beschichtung des Bauteils mit einem Brandschutzmörtel oder die zusätzliche Bewehrung des Überdeckungsbetons. Sie sind jedoch in der Praxis

15 schwierig umzusetzen und deshalb weniger üblich als die Zugabe von PP-Fasern. Betonzusammensetzung Die Zusammensetzung hochfester Betone unterscheidet sich in Abhängigkeit von den gewünschten Frisch- und Festbetoneigenschaften (SCC, Sichtbetonelemente, usw.). In Tabelle sind typische Betonzusammensetzungen für vibrierten hochfesten Beton, hochfesten SCC und hochfesten Beton mit geringer Hydratationswärmeentwicklung aufgeführt. Abb : Tübbing aus hochfestem Beton ohne PP-Fasern nach Brandversuch. (Quelle: Gesellschaft für Materialforschung und Prüfungsanstalt für das Bauwesen, Leipzig mbh).

16 Abb : Tübbing aus hochfestem Beton mit PP-Fasern nach Brandversuch. (Quelle: Gesellschaft für Materialforschung und Prüfungsanstalt für das Bauwesen, Leipzig mbh). Tab : Beispiele für den Mischungsentwurf eines hochfesten Betons mit verschiedenen Festigkeitsklassen.