Beton ohne LP für XF 4 Zulassung und Anwendung

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1 Beton ohne LP für XF 4 Zulassung und Anwendung Univ.-Prof. Dr.-Ing. Christoph Gehlen, TU München und Dipl.-Ing. Daniel Kleeberg, CEMEX AG Ausschreibungen XF4 und hohe Festigkeit Ausschreibungstext Stahlbeton einschl. Schalung für Vorsatzschale herst. Bewehrten Beton gemäß ZTV-W 215 einschl. Schalung nach Zeichnung herstellen. Schalung vorhalten und beseitigen. Bei geschalten Betonoberflächen ist die Mindestdauer des Belassens in der Schalung gemäß ZTV-W LB 215, Tab. 3.1, einzurechnen. Bewehrung wird gesondert vergütet. Bauteil 'Vorsatzschale an bestehende Uferwand, landseitig der Spundwand, von NN + 37,00 bis 40,80 m' Expositionsklasse(n) 'XC4; XD3; XF4 ; Druckfestigkeitsklasse 'C35/45, Schalung mit Material 'glatte Schalung nach Wahl des.

2 Hubschrauberlandeplatz - Klinikum Minden Anforderungen: - C45/55 (hohe Druckfestigkeit wegen Tragfähigkeit erf.) - XF4, XD3, XM3 - Pumpfähigkeit 07/2006 Stapelkai Köln Anforderung: C45/55 XC4, XF4, XD3, XM2 2008

3 Stand der Normung Deskriptives Konzept: Anforderungen in Abhängigkeit von Expositionsklassen max. w/z 0,50 min f ck C25/30 C30/37 C30/37 min Z [kg/m³] min p [Vol.-%] Gesteinskörnung XF2 ( mäßige Wassersättigung ) 0,55 GK16 4,5 GK 32 4,0 MS 25 1 Frostangriff mit Taumittel 1 Sonderregelungen für BY und BW Alternativ: Nachweis anhand leistungsbezogener Entwurfsverfahren gemäß DIN EN 206-1, Anhang J - XF4 ( hohe Wassersättigung ) 0,50 GK16 4,5 GK 32 4,0 MS 18 Expositionsklasse XF Frostangriff, mit und ohne Taumittel Schädigungsmechanismus Eisbildung mit Volumenvergrößerung (rd. 9 Vol.-%) bei Temperaturabsenkung unter 0 C hydrostatischer Druck im noch nicht gefrorenen Wasser Risse bei Überschreiten der Betonzugfestigkeit Parameter: Konzentration an im Porenwasser gelösten Stoffen Bindungsverhältnisse des Wassers (Porenradius, Adhäsionskräfte). Eis in einer Pore

4 Frost-Tausalz-Angriff auf Beton Abkühlen Erwärmen [Bildquelle:Setzer 2009] [Bildquelle:Setzer 2009] Prinzip: XF4 ohne LP Mikroeislinsenpumpe wird nicht aktiviert Infolge der RGB wird ein Gefrieren der Porenlösung weitestgehend unterbrochen

5 Zulassungsprüfung Nachweis der Frost-Tausalz-Beständigkeit mittels CDF-Verfahren Bildquelle: Palecki Untersuchungsprogramm Prüfung von 6 Betonen mittels CDF-Verfahren: Betonvarianten durch verschiedene Kombinationen Zement/Betonzusatzmittel/w/z Konsistenz: F5 (nach 10 min) Sieblinie: A/B Siebdurchgang [M.-%] B 16 verwendete Sieblinie A ,125 0,25 0, Sieblochweite [mm]

6 Druckfestigkeitsentwicklung 80 Druckfestigkeit [N/mm²] Z1.FM1.F Z2.FM1.F5 25 Z3.FM3.F Prüfzeitpunkt [d] Z1.FM2.F5 Z2.FM2.F5 Z4.FM4.F4 rd. 70 N/mm 2 Massebezogene Lösungsaufnahme Aufnahme an Prüflösung 1,50% 1,00% 0,50% 0,00% -0,50% -1,00% -1,50% Z1.FM1.F5 Z2.FM1.F5 Z3.FM3.F5 Vorlagerung Z1.FM2.F5 Z2.FM2.F5 Z4.FM4.F5 Frost-Tau-Wechsel Dauer der Prüfung in Tagen [d]

7 Mittlere Abwitterung während der CDF-Prüfung Abwitterung Abwitterung [g/m²] Z1.FM1.F5 Z1.FM2.F5 Z2.FM1.F5 Z2.FM2.F5 Z3.FM3.F5 Z4.FM4.F5 Widerstandsgrenze der Abwitterung FTW [-] Relativer dynamischer E-Modul während der CDF-Prüfung Rel. dyn. E-Modul rel. dyn. E-Modul [%] Z1.FM1.F5 Z1.FM2.F5 Z2.FM1.F5 Z2.FM2.F5 Z3.FM3.F5 Z4.FM4.F5 Untergrenze 75% nach BAW Merkbaltt Frostprüfung Dez FTW [-]

8 Zulassung: XF4-Beton ohne LP Lebensdauer von (Stahl-)Beton Weitere Vorteile? XD XA XC XM XF

9 Degradatationsentwicklung eines Stahlbetonbauteils infolge Bewehrungskorrosion Degradationsgrad Querschnittsverlust Stahl Verbundverlust möglicher ULS Abplatzung Depassivierung Rissbildung Zeit möglicher SLS t ini + t prop = Lebensdauer des Bauteils Lebensdauerbemessung Nachweiskonzepte Prinzipielle Vorgehensweise bei der Bemessung Widerstand R - Einwirkung S = Zuverlässigkeit Z Betondeckung c kritische Eindringtiefe Chlorid x c = Z vollprobabilistische Nachweisführung: da c und x c Zufallsvariablen sind σ c x c σ xc c (Betondeckung) μ xc μ c β σ Z c, x c

10 Gegenüberstellung Basic deterioration model Depassivierungstiefe/Betondeckung (reinforcement corrosion) Tiefe [mm] Zuverlässigkeitsindex [-] 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0, Zeit [t] β Ziel t Ziel Material Transportmodell Model (Chloride Diffusion) c p f = p CCrit CSN 1 erf < 0 < p a t 0 2 k e k t DRCM,0 t t Target C Crit C SN c D RCM,0 k i t 0 t a : Kritischer, korrosionsauslösender Chloridgehalt : Chloridoberflächenkonzentration : Betondeckung : Chloridmigrationskoeffizient : Modellfaktoren (Nachbehandlung, Temperatur, Testmethode) : Referenzalter Test : Zeit (Lebensdauer) : Altersexponent

11 Parameter: Betondeckung Summenhäufigkeit 1,0 y ribution Plot (Normal (Gauss)) - [BMB 0,5 0,2 0,1 0 Messung Standardabweichung: s = 3,0 mm Mittelwert: m = 22,0 mm Brückenkappe (nach Richtzeichnung nom c = 50 mm, min c = 40 mm) Betondeckung [mm] Parameter: Chloridmigrationskoeffizient D RCM,0 in [10-12 m 2 /s], Mittelwerte Chloride migration coefficient DRCM,0 in [10-12 m 2 /s] ω eqv = 5.3 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0, CEM I 42,5 R CEM I 42,5 R plus SFA (k = 0.5) CEM I 42,5 R plus SF (k = 2.0) CEM III/B 42,5 NW HS NA

12 Parameter Chloridmigrationskoeffizient Chloridmigrationskoeffzient DRCM,0 in [10-12 m 2 /s] LP-Beton, w/z = 0,50 CEMEX-Variante 1 2 Bindemittelvariante Parameter Altersexponent Ermittlung des Altersexponenten a D Cl - = k k D e t RCM,0 t0 t t a Zeitentwicklung Chloriddiffusionskoeffizent D Cl -in [10-12 m 2 /s] Auslagerungszeitraum t in [a] Streuband Altersexponent stark bindemittelabhängig

13 Liste von Parametern Gebrauchsgrenzzustand: Depassivation Parameter C: Betondeckung Einheit [mm] m 50 s 6 Verteilungstyp Beta D RCM : Cl-Migrationskoeffizient [ m 2 /s] 1,3 0,25 ND C Crit : kritischer Chloridgehalt [M.-%/z] 0,60 0,15 Beta a: Altersexponent [-] 0,40 0,15 ND k t : Faktor-Testmethode [-] 1,0 - D k e : Faktor-Temperatur [-] 1,0 0,1 ND k c : Faktor-Nachbehandlung [-] 1,0 0,2 ND C SN :Oberflächenkonzentration [M.-%/z] 3,50 1,6 LogND t 0 : Referenzzeit [a] 0, D Ergebnis einer Vergleichbemessung (Gebrauchsgrenzzustand: Depassivation) β in [-] Bezogene Lebensdauerverängerung: 2 Zielzuverlässigkeit CEMEX-Variante LP-Beton 0 t in [a]

14 Bezogene Lebensdauer der CEMEX-Varianten (Bezugsgröße: Lebensdauer LP-Beton) LP-Beton, w/z = 0,50 CEMEX-Variante 1 2 Bindemittelvariante Anwendungsgebiete: XF4-Beton ohne LP Anwendungsgebiet: Substitution von LP-Betonen mit hohen Druckfestigkeitsanforderungen ( C35/45), z. B. Parkhäuser, Industrieflächen, Betonfertigteile. Betonfertigteile Industrieflächen Parkhäuser

15 Anwendungsgebiete: XF4-Beton ohne LP Brückenkappen Brückenkappen: Hochbeanspruchte Bauteile, Expositionsklassen XF4, XD3, XC4,, weiteres Anwendungsgebiet trotz keiner hohen Druckfestigkeitsanforderungen? Rissbreitenbeschränkung Bewertungsgrundlage für die Vergleichsbetrachtungen: Kappenausführung gemäß Richtzeichnungen der Bundesanstalt für Straßenwesen z.b. Außenkappe mit einfacher Distanzschutzplanke (Kap 1 - Blatt 1 Januar 2007) Bewehrungsgehalt a s gemäß Richtzeichnung Längsbewehrung (a) Längsbewehrung (i) Querbewehrung Anschlussbewehrung: d s =10 mm, a = 6,5 cm d s =10 mm, a = 11,5 cm d s =10 mm, a = 20,0 cm d s =14 mm, a = 20,0 cm Mindestdruckfestigkeitsklasse nach DIN :2008 C 30/37 (LP): f ctm rd. 3 N/mm² Rissbreitennanchweise gemäß DIN :2008, Abschnitt (Kappenoberseite): im Lastfall zentrischer Zwang aus Abfließen der Hydratationswärme im Lastfall zentrischer Zwang in spätem Alter :

16 Rissbreitenbeschränkung Grundlagen der Vergleichsbetrachtung: w k = f (f ct,eff, a s, ) Dabei ist: w k f ct,eff a s Rechenwert der Rissbreite wirksame Zugfestigkeit des Betons zum betrachteten Zeitpunkt Bewehrungsgehalt weitere Einflussfaktoren wie Bauteilgeometrie, Betondeckung etc., die im Rahmen der Vergleichsbetrachtungen unverändert bleiben Bedingung: w k (C 30/37 (LP), a s,vorhanden ) = w k (XF4-Beton ohne LP, (a s,vorhanden + Δa s )) Ermittlung der zur wirksamen Rissbreitenbeschränkung gemäß DIN :2008, Abschnitt erforderlichen Bewehrungsmehrmenge Δa s Ergebnisse der Vergleichsbetrachtung: Bezogener Bewehrungsgehalt Kappe (Mindestbewehrung) CEMEX-Variante (f ct,m = 4,4 N/mm 2 ) CEMEX-Variante (C45/55: f ct,m = 3,8 N/mm 2 ) LP-Beton (C30/37: f ct,m = 3,0 N/mm 2 ) 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0

17 Zusammenfassung Spezialbetone für XF4-Expositionen ohne künstliche Luftporen jetzt verfügbar XF4 Beton ohne LP bietet neben dem hohen FT-Widerstand weitere Vorteile, z. B. wirkt dieser lebensdauerverlängernd in XD und XS-Expositionen Aufgrund der deutlich höheren Festigkeiten gegenüber LP-Betonen ggf. zusätzliche Mindestbewehrung zur Rissbreitenbeschränkung erforderlich Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Christoph Gehlen: 34

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