Harald S. Müller, Michael Haist, Astrid Hirsch, Vladislav Kvitsel KIT Karlsruhe Rolf Silbereisen, Carsten Becker CEMEX Deutschland AG
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1 Harald S. Müller, Michael Haist, Astrid Hirsch, Vladislav Kvitsel KIT Karlsruhe Rolf Silbereisen, Carsten Becker CEMEX Deutschland AG Institut für Massivbau und Baustofftechnologie Abteilung Baustofftechnologie BetonForum 2010 CEMEX Deutschland AG Rüdersdorf, 16. November 2010 KIT Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft Ausgangssituation Netzrisse (oberflächennah) Längs- und Querrisse (tiefgreifend) Ursache: Feuchtegradienten / Eigenspannungen über den Querschnitt Ursache: Eigenspannungen an Bewehrung und Einbauteilen Zwangsspannungen aus Lagerung
2 Übersicht Schwindenverhalten von Beton Grundlagen der Rissbeherrschung Behinderte Schwindverformungen als Ursache für eine Rissbildung Einfluss von Schwindreduzierern auf das freie und behinderte Schwinden Einfluss einer Faserzugabe auf das freie und behinderte Schwinden Zusammenfassung Praxisrelevante Schwindkomponenten (1) Grundschwinden Schwindverformung ε cs versiegelt Grundschwinden Betonalter t Ursachen Volumenreduktion infolge der Hydratationsreaktion Kapillarkräfte infolge innerer Austrocknung der Zementsteinmatrix Unterdruck im Porensystem Einflussparameter Betonzusammensetzung - Zementgehalt / Leimgehalt - Wasserzementwert - Zementart, Blaine-Wert - Steifigkeit der Gesteinskörnung
3 Praxisrelevante Schwindkomponenten (2) Trocknungsschwinden Ursachen Schwindverformung ε cs RH = 65% Trocknungsschwinden versiegelt Feuchteverlust an die Umgebung Änderung des Partialdampfdrucks und dadurch von Kapillarkräften und Spaltdrücken zwischen den Hydratationsprodukten Einflussparameter Parameter wie beim Grundschwinden; zusätzlich: t s Grundschwinden Betonalter t Trocknungsdauer t-t s Umgebungsbedingungen: (relative Feuchte und Temperatur) Bauteilabmessungen Möglichkeiten der Schwindreduktion Oberflächenspannung des Wassers Wasser unhydratisierter Zement CSH-Phasen Calciumhydroxid Weitere Ansatzmöglichkeiten Anpassung der Betonrezeptur (z. B. Reduktion des Zementsteingehalts und/oder des w/z-werts) Erhöhung der Steifigkeit des Korngerüsts ohne Schwindreduzierer mit Schwindreduzierer innere Nachbehandlung (z. B. vorgenässte Leichtzuschläge) F 1 sorgfältige äußere Nachbehandlung F 2 Aufbringen von Versiegelungen
4 Grundlagen der Rissbeherrschung Ansatz: Schwindverformungen ε cs (t) = ε cs,b (t) + ε cs,d (t,t s ) Ec σ ct = ε Eeff = ε 1+ ρ ϕ < f ct Temperaturdehnungen ε T (t) = α T (t) ΔT(t) Einwirkung < Widerstand f ct E c E c ε cs α T T α T f ct T ΔT ϕ 24 h 28 d Alter t 24 h 28 d Zeit t 24 h 28 d Zeit t Lastspannungen σ ct 24 h 28 d Alter t Eigenspannungen infolge Schwinden Trocknungsschwinden Oberflächennahe Rissbildung b/2 b/2 t n t n+2 1,0 0,5 Umgebung RH = 50 % Feuchteverteilungen ε s ε cs σ freie Schwindverformungen Eigenspannungen Rissbildung Mindestbewehrung Faserbewehrung Feinere Verteilung der Risse Reduktion der Rissbreite Rissbildung kann durch Bewehrung nicht verhindert werden!
5 Grundlagen der Rissbeherrschung Spannungsübertragung im Riss σ w σ spannungsfreier Riss Bruchzone spannungsübertragender Riss ungeschädigter Beton mit Fasern ohne Fasern Rissöffnung w Spannung σ Dehnung ε Arbeitsprogramm Zusatzmittel/Zusatzstoff freies Schwinden Grundmischung behindertes Druckfestigkeit Schwinden Biegezug -festigkeit Porosität keine Zugaben 1 Makrokunststofffasertyp (mkf) bei 3 Dosierungen 0,25 1,0 Vol.-% Feinkornbeton d max = 8 mm 1 Mikrokunststofffasertyp (µkf) bei 1 Dosierung 0,5 Vol.-% 2 Stahlfasertyp (SF) bei 1 Dosierung 0,4 Vol.-% 4 Schwindreduzierertypen (SR) bei jew. 1 Dosierung Grobkornbeton d max = 16 mm keine Zugaben 1 Schwindreduzierer bei 1 Dosierung = durchgeführt = nicht vorgesehen
6 Betonzusammensetzung und Kennwerte Feinkornbeton d max = 8 mm Wert Grobkornbeton d max = 16 mm Dimension Dimension Wert Zement CEM III/A 42,5 N 340 Zement CEM III/A 42,5 N 340 Fließmittel 5,1 Fließmittel 2,0 Sand 0/2a Kies 2/8 [kg/m³] Sand 0/2a Kies 2/8 [kg/m³] Edelsplitt 8/16 - Edelsplitt 8/ Wasser 180 Wasser 178 Ausbreitmaß [cm] 52 Ausbreitmaß [cm] 54 LP-Gehalt [Vol.-%] 3,3 LP-Gehalt [Vol.-%] 1,0 Druckfestigkeit f cm [N/mm²] 51 Druckfestigkeit f cm [N/mm²] Untersuchungsergebnisse Druckfestigkeit im Alter von 28 Tagen Druckfestigkeit [N/mm²] Makrokunststofffaser Mikro- KF Stahlfaser I II Schwindreduzierer I II III IV
7 Untersuchungsergebnisse Biegezugfestigkeit im Alter von 28 Tagen 12 Biegezugfestigkeit [N/mm²] Makrokunststofffaser Mikro- KF Stahlfaser I II Schwindreduzierer I II III IV Freies Schwinden - Untersuchungsergebnisse Einfluss Schwindreduzierer Einfluss Fasertyp 1,0 1,0 Dehnung [ ] 0,8 0,6 0,4 SR IV SR I SR III SR II Dehnung [mm/m] 0,8 0,6 0,4 µkf SF I SF II 0,2 0,2 0, Trocknungsdauer [d] 0, Trocknungsdauer [d] Versuchsbedingungen: Messung an Prismen 40x40x160 mm³; Messlänge 150 mm Trocknungsbeginn: 1d; Lagerung: 23 C, 50 % r. F
8 Behindertes Schwinden Schwindringversuche Messmethode Austrocknung 50 Stahlring Beton Dehnungsmessung 10 Schwinden Zug Druck Versiegelung Druck r=160 Versiegelung 75 Zug Spannungsentwicklung: σ Beton (aus Stahlspannung abgeleitet) Stahl t (gemessen) Behindertes Schwinden Schwindringversuche Messmethode (Forts.) Schwindringschalung Versuchsbedingungen: mit Frischbeton gefüllte Schalung ausgeschalter versiegelter Schwindring Trocknungsbeginn: 1d; Lagerung: 23 C, 50 % r. F Versiegelung beider Stirnseiten; reibungsarme Lagerung
9 Behindertes Schwinden Einfluss von Schwindreduzierern auf das behinderte Schwinden tangentiale Dehnung [µm/m] SR IV SR II SR I SR III Trocknungsdauer (t-t s ) [Tage] Reihenfolge des Versagens: SR IV 1 2 kein Versagen: SR I SR II SR III Gegenüberstellung freies Schwinden und behindertes Schwinden freies Schwinden behindertes Schwinden 1,0 20 0,8 SR IV 0 SR IV Dehnung [ ] 0,6 0,4 0,2 SR I SR III SR II tangentiale Dehnung [µm/m] SR II SR I SR III 0, Trocknungsdauer (t-t s ) [d] Trocknungsdauer (t-t s ) [Tage]
10 Behindertes Schwinden Einfluss von Fasern auf das behinderte Schwinden 20 tangentiale Dehnung [µm/m] µkf mkf 1 mkf 3 mkf 2 SF II Trocknungsdauer (t-t s ) [Tage] Reihenfolge des Versagens: kein 1 2 µkf 3 mkf I 4 mkf III 5 mkf II Versagen: SF II Zusammenfassung Schwindverformungen sind im Wesentlichen auf Volumenveränderungen des Zementsteins sowie auf Kapillarspannungen im Porensystem zurückzuführen Rissbildung tritt nur ein, wenn Verformung des Betons behindert wird Eigenspannungen infolge von Feuchtegradienten im Bauteil Zwangspannungen infolge statisch unbestimmter Lagerung Reduktion des Schwindens und der Rissempflindlichkeit durch Zugabe von Schwindreduzierern möglich Faserzugabe bewirkt keine Veränderung des Schwindverhaltens jedoch kann Rissempflindlichkeit durch Zugabe von Stahlfasern reduziert werden
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