Betone für Brückenkappen Der ewige Wettlauf zwischen Rissbildung und Frost-Tausalz-Widerstand

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1 Betone für Brückenkappen Der ewige Wettlauf zwischen Rissbildung und Frost-Tausalz-Widerstand Dipl.-Ing. Bou-Young Youn FAKULTÄT für Bau- und Umweltingenieurwissenschaften Lehrstuhl für Baustofftechnik Univ.-Prof. Dr.-Ing. Rolf Breitenbücher

2 Brückenkappen aus Beton Grundsätzliche Aufgaben und Anforderungen Sicherung des Verkehrsraums Schutz der Betontragkonstruktion Fahrrad- und Gehwege bei Innerorts- Brücken ausreichende Griffigkeit dauerhafte Oberflächentextur Ausreichender Frost-Tausalz- Widerstand Einstufung in Expositionsklassen XD3 und XF4 Rissbreitenbeschränkung Bsp. Regelausführung für eine Außenkappe mit Schutzausrichtung für Straßenbrücken [RiZ-ING] 2

3 Einander entgegenlaufende Anforderungen an den Kappenbeton Für die Rissbreitenbeschränkung: niedrige Betonfestigkeit und damit ein relativ hoher w/z-wert Für einen ausreichenden Frost-Tausalz-Widerstand: niedriger w/z-wert und damit eine relativ hohe Betonfestigkeit Regelwerksanforderungen an die Festigkeitsklasse bei einem höchstzulässigen w/z-wert von 0,50: C25/30 (nach den ZTV-ING) C30/37 (für XF4 nach DIN ) 3

4 Nationale Festlegungen des höchstzulässigen w/z-wertes für XF4 in Europa In den meisten europäischen Ländern ist ein um 0,05 niedrigerer maximaler w/z-wert zulässig DIN CEN/TR Überblick nationaler Anforderungen, die im Zusammenhang mit EN 206-1:2000 verwendet werden. In Deutschland: maximal zulässiger w/z-wert von 0,45 für Betonfahrbahndecken nach den TL Beton-StB 4

5 Anforderungen an die Ausgangskomponenten und Zusammensetzung von Kappenbetonen Gesteinskörnung: ausreichender Frost-Tau-Widerstand (mind. Kategorie F2) stetige Sieblinie AB Zemente: nach DIN : CEM I, CEM II/A-S und CEM II/B-S, CEM II/A-LL sowie CEM III/A der Festigkeitsklasse 42,5 (in der Festigkeitsklasse 32,5 mit einem HS-Anteil von höchstens 50 M.-%) nach den ZTV-ING: keine Verwendung von CEM III-Zemente Mindestluftgehalt in Abhängigkeit vom Größtkorn Empfohlene Konsistenz C2 bzw. F2 (weichere Konsistenz über Fließmittel einzustellen) 5

6 Vergleich von Betonen mit CEM I und CEM II-Zementen Betone mit hüttensandhaltigen Zementen neigen zu frühzeitig größeren Abwitterungsmengen als Betone mit CEM I Praxiserfahrungen zeigen jedoch immer noch eine ausreichende Dauerhaftigkeit von Kappenbetonen mit CEM II-Zementen Erklärung: damalige Herstellung von Eisenportlandzementen und Hochofenzementen gemeinsames Mahlen von Portlandzementklinker und Hüttensand (unterschiedliche Mahlbarkeit) Festigkeitsklasse 32,5 Heute: getrenntes Mahlen annähernd gleiche Frühfestigkeiten wie bei CEM I Festigkeitsklasse 42,5 N 6

7 Schäden an Kappenbetonen infolge von Frost-Tausalz-Beanspruchung Einfluss der Gesteinskörnung: unzureichender Frost-Tausalz-Widerstand Pop-outs extrem unterschiedliche Wärmedehnung Großflächige Abplatzungen der Kappenoberfläche mit freigelegten Gesteinskörnern Lokal punktförmige Abwitterungen der Kappenoberfläche 7

8 Schäden an Kappenbetonen infolge von Frost-Tausalz-Beanspruchung Einfluss der Mörtelmatrix: hohe Kapillarporosität Abwittern der Matrix Flächige Abwitterungen der Kappenoberfläche Teilflächige Abwitterungen der Kappenoberfläche durch Verwässern der Randzone mit einem nicht ausreichend trockenen Besen beim Texturieren der Oberfläche 8

9 Schäden an Kappenbetonen infolge von Zwangsspannungen Instandsetzung von Rissen infolge von Zwangsbeanspruchungen auf der Hafenbrücke, Kassel [Hessische/Niedersächsische Allgemeine] Maximal zulässige Rissbreite w max = 0,2 mm nach EN /NA für Stahlbetonbauteile unter häufiger Einwirkungskombination Bewehrungsgrad von 1,3 % in Kappenlängsrichtung ( Bewehrungsstäbe Ø 10 mm und a = 6,5 cm 9

10 Untersuchungen zum Frost-Tausalz- Widerstand von Kappenbetonen Ursachen von Abplatzungen dünner Mörtelschichten an Betonoberflächen infolge von Frost- und Tauwechselbeanspruchung mit gleichzeitiger Einwirkung von Tausalzen Materialspezifische Ursachen: Ausgangskomponenten und Zusammensetzung des Kappenbetons Ausführungstechnische Ursachen: Zeitpunkt der Oberflächenbearbeitung, Nachbehandlung 10

11 Basiszusammensetzung des Kappenbetons Herstellung von Betonplatten (80x80x10 cm³) mit einem praxistypischen Kappenbeton Ausgangskomponen ten Einheit Referenzbeton REF Zement [kg/m³] 340 Wasser [kg/m³] 170 w/z-wert 0,50 Quarzmehl [kg/m³] 10 Quarzsand 0/2 mm [kg/m³] 458 Quarzkies 2/8 mm [kg/m³] 604 Quarzkies 8/16 mm [kg/m³] 710 Sieblinie [-] AB 16 LP-Bildner [M.-% v.z.] 0,05 11

12 Untersuchungsvarianten Betontechnische Varianten: Zementart (CEM I 42,5 R; CEM II/B-S 32,5 R; CEM II/A-LL 32,5 R) Wasserzementwert (w/z = 0,47; 0,50; 0,53) Mehlkorngehalt (M = 350, 400, 450 kg/m³) Ausführungstechnische Varianten: Art der Nachbehandlung (Curingmittel, Folienabdeckung) Applikationszeitpunkt des Curingmittels (unmittelbar nach Besenstrich, nach einer Liegezeit von ca. 2 h nach Besenstrich) Dauer der Nachbehandlung mit Folienabdeckung (1 bzw. 3 d) 12

13 Betontechnische Einflussparameter Zementart Höchste Abwitterungsmengen mit CEM II/B-S 32,5 R Gleiches Abwitterungsverhalten CEM I 42,5 R (REF) und CEM II/A-LL 32,5 R 13

14 Betontechnische Einflussparameter Wasserzementwert Signifikante Zunahme der Abwitterungsmengen bei CEM I 42,5 R und CEM II/A-LL 32,5 R mit Erhöhung des w/z-wertes auf 0,53 hohe Kapillarporosität 14

15 Betontechnische Einflussparameter Wasserzementwert Deutliche Abnahme der Oberflächenzugfestigkeiten bei allen Betonen mit Erhöhung des w/z-wertes auf 0,53 Zunahme der Festigkeiten beim CEM II/B-S 32,5 R mit w/z-wert von 0,47 15

16 Betontechnische Einflussparameter Mehlkorngehalt Geringe Abwitterungsmengen bei Erhöhung des Mehlkorngehalts durch entsprechende Erhöhung des Luftgehalts im Frischbeton (A = 7,5 Vol.-%) 16

17 Ausführungstechnische Einflussparameter Art der Nachbehandlung Geringe Abwitterungsmengen durch eine Nachbehandlung mit Folienabdeckung und gleichzeitig eine kürzere Nachbehandlungsdauer von 1 d 17

18 Ausführungstechnische Einflussparameter Applikationszeitpunkt des Curingmittels Geringe Abwitterungsmengen bei Applikation des Curingmittels erst nach ca. 2 h nach Oberflächentexturierung starke Blutneigung beim Beton mit CEM II/B-S 32,5 R 18

19 Ausführungstechnische Einflussparameter Applikationszeitpunkt des Curingmittels Wasserverlust in Abhängigkeit des NBM- Auftragszeitpunktes eines Straßenbetons, Lagerung bei 20 C / 65 % rel.f. [Huber & Schießl, Griffig 1/2006] Wirkung des Curingmittels hängt signifikant vom Auftragszeitpunkt ab Optimaler Applikationszeitpunkt zwischen 2 und 4 h minimaler absoluter Wasserverlust nach 24 h 19

20 Zusammenfassung Im Hinblick auf den Frost-Tausalz-Widerstand: Geringfügige Schwankungen im Wassergehalt mit einer Erhöhung des w/z-wertes (hier um 0,03) resultieren in einem unzureichenden Frost-Tausalz-Widerstand des Betons sowie in einer Abnahme der Oberflächenzugfestigkeiten Mörtelanreicherung an der Betonoberfläche durch weichere Konsistenz (F3) Bei Unterschreitung des höchstzulässigen w/z-wertes von 0,50 wies der Beton mit CEM II/B-S 32,5 R Abwitterungsmengen > g/m² nach 28 FTW auf Höchstzulässiger w/z-wert von 0,50 ist selbst bei einem ordnungsgemäßen LP-Beton als absoluter und kritischer Grenzwert zu betrachten w/z-wert ist auf den jeweiligen Zement abzustimmen 20

21 Zusammenfassung Zur Vermeidung von Rissen infolge Verformungsbehinderungen durch Temperaturänderungen und Schwinden: Bei einer Nachbehandlung mit einem Curingmittel ist der Applikationszeitpunkt entscheidend Abhängig vom Beton und von den Witterungsverhältnissen Applikation erst nach einigen Stunden auf eine mattfeuchte Oberfläche Nachbehandlung mit Folienabdeckung kann bereits unmittelbar nach Oberflächentexturierung erfolgen Verlängerung der Nachbehandlungsdauer (3 d) führt zu keiner Verbesserung des Frost-Tausalz-Widerstands Rissbildung infolge dynamischer Einwirkungen ist durch konstruktive Maßnahmen einzugrenzen 21

22 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 22