Entwicklung redundanter Betonsysteme

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1 Entwicklung redundanter Betonsysteme Dr. Katrin Bollmann Karsten Schubert Peter Lyhs Potsdam;

2 1. Redundant? 2. Ausgangssituation 3. Bewertungskriterien und -hintergrund 4. Lösungsansatz 5. Ergebnisse und Lösungsvorschlag 6. Ausführungsbeispiele 7. Zusammenfassung

3 1. Redundant? Redundant Herkunft im lateinischen Wort redundare (re= zurück undunda= Welle) und bedeutet soviel wie mehrfach vorhanden wiederholt überreichlich überzählig überflüssig redundantia = Überfülle

4 1. Redundant? Betonbauwerke sind in der Herstellung und Nutzung wiederholt den unterschiedlichsten Belastungen ausgesetzt. Diesen wird durch Bemessung, Auswahl der Rohstoffe und Rezeptur, die Bauausführung und die Instandhaltung entsprochen. Ziel hohe Dauerhaftigkeit Einzelne Lösungsansätze können sich da im Wege stehen.

5 1. Redundant? Verwendung von Auftaumittel auf z.b. Natrium-Chlorid-Basis führt zu: A) XF 4 Frost-Tausalz-Angriff auf den Beton B) XD 3 Chlorid-Angriff auf die Bewehrung C) WA Betonangriff durch Alkali- Silika-Reaktion (AKR)

6 Angelika Schießl-Pecka, Christoph Gehlen Erfahrungen mit CEM I-Betonen in XD- und XS-Expositionen 2. Ausgangssituation

7 2. Ausgangssituation Projekt Dauerhafte Betonbauteile mit den Autobahndirektionen Süd- und Nordbayern Ziel: Erarbeitung von LV-Bausteinen bzw. zusätzlichen Anforderungen zur Sicherstellung der Dauerhaftigkeit ABD Nordbayern: - Sucht für Brückenkappen Lösungen auf Basis verfügbarer Rohstoffe - CEMEX als Ansprechpartner, weil Mit-Erarbeiter des VDB/DBV-Merkblatts Brückenkappen aus Beton

8 2. Ausgangssituation Aufgabe: Entwicklung von redundanten Betonen Betonrezepturen für Neubau und Ersatz von Kappen, die über den Rohstoffeinsatz (unter Berücksichtigung der Verfügbarkeit) die Betonzusammensetzung und die Betonverarbeitung einen möglichst hohen Chloridmigrations-Widerstand sowie einen hohen Frost-Tausalz-Widerstand aufweisen. CEMEX-Ansatz: posi ve Erfahrungen/Erkenntnisse nutzen Bewertungshintergrund erstellen Lösungsansatz ableiten

9 3. Bewertungskriterien und -hintergrund Bewertungs-/Prüfkriterien(Frisch- und Festbeton) 28 Tage Betondruckfestigkeit 2 Tage Betondruckfestigkeit 28 Tage Spaltzugfestigkeit Chloridmigrations-Koeffizient (35 d) Frischbetonstabilität (Bluten nach dem Eimertest) Prüfung des Betongefüges (CDF-Test 28 d) Einheitlich ist die Vorgabe der Verarbeitungskonsistenz mit a 5 = 420 ±20 mm

10 3. Bewertungskriterien und -hintergrund Bewertungshintergrund Bewertung der Prüfergebnisse auf Basis von Hintergrundwerten, die auf eigenen langjährigen Erfahrungen basieren bzw. aus der Aufgabenstellung abgeleitet wurden Erfüllung individueller Zielwerte in % Komplexe Bewertung mehrerer Kriterien Auswertung im Netzdiagramm

11 3. Bewertungskriterien und -hintergrund Bewertungshintergrund Tage Betondruckfestigkeit C25/30 < 43MPa; > 37 MPa C30/37 < 53 MPa; > 47 MPa 2. 2 Tage Betondruckfestigkeit > 20 MPa Tage Spaltzugfestigkeit C25/30 < 3,5MPa C30/37 < 4,2 MPa 4. Chloridmigrationskoeffizient(35 d) < 10x10-12 m²/s 5. Frischbetonstabilität (Bluten nach dem Eimertest) < 1 l/m³ 6. Festbetongefüge (CDF Test 28 d) ) CEM I/II < 500 g/m² CEM III < 750 g/m² *) Ibausil2009: Bollmann, Lyhs, Molkentin-Untersuchung von Betonflächen mittels Laser InducedBreakdown Spectroskopy(LIBS) zur Klärung möglicher Prüfartefakte bei der Prüfung des F-T-W

12 4. Lösungsansatz Hoher Chloridmigrations-Widerstand Geringer Chloridmigrations-Koeffizient Niedriger w/z-wert Hüttensandhaltiger Zement S oder FA als Betonzusatzstoff Quelle: Amir Rahimi; SemiprobabilistischesNachweiskonzept zur Dauerhaftigkeitsbemessung und -bewertung von Stahlbetonbauteilen unter Chlorideinwirkung Chloridmigrations-Koeffizienten in Abhängigkeit von Zementart und w/z-wert

13 4. Lösungsansatz Hoher Frost-Tausalz-Widerstand Flugbetriebsfläche mit CEM II/A-S 42,5 N (st) Niedriger w/z-wert LP-System (Mikroluftporen) Robuster Beton Sedimentationsstabilität Merkblatt für Oberflächentexturen auf Fahrbahndecken: Oberflächenmörtelschicht mit maximaler Stärke von 0,5 bis 1 mm

14 4. Lösungsansatz Angemessene Nachbehandlung Mangelhafte Ausführung beeinflusst Dauerhaftigkeit des Bauteils gegen unterschiedlichsten Angriff: Frost, Frost-Tausalz Chlorid mechanische Belastungen Prinzipskizze: Die Austrocknung der Randzone nimmt in der II. Austrocknungsphase stark zu. Quelle: Dirk Ehrhardt, Bauhaus-Universität Weimar

15 4. Lösungsansatz CEM II/B-S 52,5 N (st) Mit einem Hüttensand- Gehalt von M.-% CEM II/B-S 32,5 R (geringe Frühfestigkeit) CEM II/B-S 42,5 N (52,5 N) (höhere Frühfestigkeit) CEM I 42,5 N Wasserabgabe durch Verdunstung über die Oberfläche in Abhängigkeit von der Frühfestigkeit Quelle: Dirk Ehrhardt, Bauhaus-Universität Weimar

16 4. Lösungsansatz CEM II/B-S 52,5 N (st) Einfluss von Nachbehandlung und früher Festigkeitsentwicklung auf das Betongefüge Abwitterung, bestimmt mit dem CDF-Test CEM I CEM II/B-S CEM II/B-S (geringe Frühfestigkeit) (höhere Frühfestigkeit) Quelle: Dirk Ehrhardt, Bauhaus-Universität Weimar

17 4. Lösungsansatz Lösungsansatz für redundanten Kappenbeton: 1.) w/z-wert 0,45 2.) LP 6 % bis max. 9 % (EW max. + 3 %) 3.) Zement mit > 25 % Hüttensandgehalt 4.) Zement mit guter Frühfestigkeit (2 d 20 MPa) Vorschriftenwerk: w/z-wert 0,5 LP 5,5 % bis EW max. + 4 % CEM III/A nicht zugelassen mittlere bis langsame Festigkeitsentwicklung Zementfestigkeitsklassen 32,5/42,5

18 4. Lösungsansatz

19 4. Lösungsansatz Unter sommerlichen Temperaturen: r 0,3 (Lufttemperatur am Tag 25 C) Unter winterlichen Bedingungen: r 0,5 (Lufttemperatur am Tag 5 C) Was gilt bei Lufttemperatur 5 C < t < 25 C???

20 5. Ergebnisse und Lösungsvorschlag Gewählte Betonzusammensetzungen: Hüttensandgehalt: 8% ; 32% ; 45% Zielluftgehalt (gem. MB Brückenkappen) Ausbreitmaß a5 CEM II/A-M(S-LL) 42,5 R CEM II/B-S 52,5 N (st) CEM III/A 42,5 N 6,0 LP Gehalt: 6,0% ; 9,0% w/z-wert: 0,45 ; 0,50

21 5. Ergebnisse und Lösungsvorschlag Einfluss auf den Chloridmigrations-Koeffizienten HÜS-Gehalt: Deutlicher Einfluss ab Hüttensandgehalt > 30% Chloridmigrationskoeffizient[10-12 m²/s] w/z-wert: 0,45 0,45 0,50 LP-Gehalt (%): w/z-wert 0,45 0,45 0,50 LP-Gehalt (%) d w/z-wert 0,45 0,45 0,50 LP-Gehalt (%) CEMII/B-S52,5N(st) CEMII/A-M(S-LL)42,5R CEM III/A 42,5 N

22 5. Ergebnisse und Lösungsvorschlag Einfluss auf den Chloridmigrations-Koeffizienten w/z-wert: Bei der untersuchten Betonrezeptur und im gewählten w/z-wert Bereich kein Einfluss LP-Gehalt: Bei der untersuchten Betonrezeptur und im gewählten w/z-wert Bereich kein Einfluss Chloridmigrationskoeffizient[10-12 m²/s] w/z-wert: 0,45 0,45 0,50 LP-Gehalt (%): w/z-wert 0,45 0,45 0,50 LP-Gehalt (%) w/z-wert 0,45 0,45 0,50 LP-Gehalt (%) CEMII/B-S52,5N(st) CEMII/A-M(S-LL)42,5R CEM III/A 42,5 N

23 5. Ergebnisse und Lösungsvorschlag Betonrezeptur mit CEM II/A-M(S-LL) 42,5 R - Druck- und Spaltzugfestigkeit im Ziel - Mischungsstabilität (Bluten) im Ziel - Neg. Auswirkung des höheren w/z-wertes auf Gefügetestim Randbereich (CDF-Test) - Chloridmigrations-Widerstand nicht erreicht Optionale Maßnahmen -Verwendung von Silikaoder SFA - Begrenzung max. w/z-wert auf 0,45 LP = 6 % ; w/z = 0,45 LP = 9 % ; w/z = 0,45 LP = 6 % ; w/z = 0,50

24 5. Ergebnisse und Lösungsvorschlag Betonrezeptur mit CEM III/A 42,5 N - Druck- und Spaltzugfestigkeit im Ziel (6/ 0,45) - Mischungsstabilität (Bluten) im Ziel (6/0,45 und 9/0,45) - Chloridmigrations-Widerstand im Ziel - Negative Auswirkung des höheren w/z-wertes auf Gefügetestim Randbereich (CDF-Test) (6/0,5) Optionale Maßnahmen - Begrenzung max. w/z-wert auf 0,45 - Verbesserung Mischungsstabilität LP = 6 % ; w/z = 0,45 LP = 9 % ; w/z = 0,45 LP = 6 % ; w/z = 0,50

25 5. Ergebnisse und Lösungsvorschlag Betonrezeptur mit CEM II/B-S 52,5 N (st) - Druck-und Spaltzugfestigkeit im Ziel - Mischungsstabilität (Bluten) im Ziel - Chloridmigrations-Widerstand im Ziel - Negative Auswirkung des höheren w/z-wertes auf Gefügetest im Randbereich (CDF-Test) (LP = 6 % / w/z = 0,5) Optionale Maßnahmen - Begrenzung max. w/z-wert auf 0,45 LP = 6 % ; w/z = 0,45 LP = 9 % ; w/z = 0,45 LP = 6 % ; w/z = 0,50

26 5. Ergebnisse und Lösungsvorschlag Wesentliche Parameter der im Rahmen dieser Untersuchungen empfohlenen Betonzusammensetzung für redundante Betonsysteme: Zement: CEM II/B-S 52,5 N (st), Werk Rüdersdorf max. w/z-wert: 0,45 LP-Gehalt: 6 9 Vol.-% (Einzelwert max. + 3 Vol.-%) *) *) -EN 206, 2014 max. 5% -Fachbericht 100 und VDB/DBV Merkblatt Brückenkappen aus Beton max. 4% -aktueller Entwurf TL Beton StBmax. 3%

27 6. Ausführungsbeispiele Go Live im Sommer 2017 erste Anwendungen für Brückenkappen an den Bundesautobahnen: BAB A73: Brücken BW 125a + BW 126a-c, 310 m³ BAB A9: Brücken BW 295c + BW 119d und Tunnel 304L, Los D, 160 m³ BAB A93: Brücken BW100 + BW 122a und Konstruktion Standort "Falkenberg", 600m³ Variation des entwickelten Betons für Fundamente von Schilderbrücken: entlang der Autobahn BAB A73 (626 m³)

28 6. Ausführungsbeispiele Erstmalige Anwendung des CEM II/B-S beim Neubau der Brücke über die Tollense, Mecklenburg- Vorpommern 2007 Oberflächenausführung erfolgte als Besenstrich sowie glatt abgerieben.

29 7. Zusammenfassung Bauteile sind wiederholt unterschiedlichsten Belastungen ausgesetzt, denen durch abgestimmte Lösungen zu begegnen ist. Im Rahmen der Untersuchungen wurden Lösungsfelder für die Zusammensetzung redundanter Betonsysteme aufgezeigt, die auf bewährten Systemen und Erfahrungen basieren. Bei einem kombinierten Frost-Tausalz- und Chlorid-Angriff wird empfohlen: - Begrenzung des w/z-wertes auf 0,45 - minimaler Hüttensandgehalt im Zement 25% - 2-Tage-Festigkeit 20 MPa -LP-Gehalt von 6% bis 9% (max. Einzelwerten + 3%) Die Beachtung der Handlungshinweise aus dem VDB/DBV-Merkblatt Brückenkappen führt zuverlässig zu dauerhaften Betonen.

30 Fazit Redundant? Wir benötigen zuverlässige Systeme, aber keine überreichlichen Regelungen!