Beanspruchung von Betonfahrbahndecken aus lastunabhängigen Einwirkungen (Literaturstudie)

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Ausgangssituation
1.2 Aufgabenstellung und Ziel der Arbeit

2 fahrbahndecken aus Beton
2.1 Entwicklung des Betonstraßenbaus
2.2 Aufbau einer Betonstraße
2.3 Konstruktive Durchbildung
2.3.1 Fugen
2.3.2 Dübel und Anker
2.4 Betonzusammensetzung
2.4.1 Allgemeines
2.4.2 Zement
2.4.3 Gesteinskörnung
2.4.4 Betonzusatzmittel
2.4.5 Betonzusatzstoffe
2.5 Herstellung
2.5.1 Allgemeines
2.5.2 Betontransport
2.5.3 Einbau
2.5.4 Oberflächenstrukturierung – Textur
2.5.5 Nachbehandlung
2.5.6 Fugenherstellung

3 Frischbetoneigenschaften
3.1 Hydratation
3.1.1 Allgemein
3.1.2 Hydratationsverlauf
3.1.3 Hydratationswärme
3.1.4 Hydratationsgrad und Reifefunktion
3.2 Gefüge des Betons
3.2.1 Zementgel
3.2.2 Porenraum und Porenwasser

4 FestbetonEigenschaften
4.1 Entwicklung der mechanischen Eigenschaften
4.2 Verformungsbehinderung
4.2.1 Allgemeines
4.2.2 Innere Verformungsbehinderung
4.2.3 Äußere Verformungsbehinderung
4.3 Thermisches Verhalten
4.3.1 Allgemeines
4.3.2 Thermische Eigenschaften des Betons
4.3.2.1 Wärmedehnung
4.3.2.2 Wärmeleitung
4.3.2.3 Wärmespeicherung
4.3.2.4 Wärmeaustausch
4.4 Hygrisches Verhalten
4.4.1 Feuchtetransport
4.4.2 Schwinden und Quellen
4.5 Kriechen und Relaxation
4.5.1 Allgemeines
4.5.2 Kriechen
4.5.3 Relaxation
4.6 Verformungen und Spannungsentwicklung
4.6.1 Thermische und hygrische Spannungsentwicklung
4.6.1.1 Zentrische Zwangspannung
4.6.1.2 Zwang und Eigenspannung
4.6.2 Verformungen und Spannungen von Betonfahrbahndecken
4.6.2.1 Allgemeines
4.6.2.2 Nullspannungstemperaturgradienten
4.6.2.3 Temperaturgradienten und Wölbspannungen
4.6.2.4 Feuchtegradienten

5 Parameterstudie zu verformungs- und Spannungszuständen in BetonFahrbahndecken
5.1 Allgemeines
5.2 Einfluss der Temperatur auf die Spannungen im Bauteil
5.2.1 Allgemeines
5.2.2 Haupteinflüsse aus der Betonzusammensetzung
5.2.2.1 Zement
5.2.2.2 Gesteinskörnung
5.2.3 Klimatische Einflüsse auf die Temperatur im Bauteil
5.2.3.1 Sonneneinstrahlung
5.2.3.2 Lufttemperatur
5.2.3.3 Luftfeuchte
5.2.3.4 Wind
5.2.3.5 Niederschlag
5.2.4 Einfluss der Nachbehandlung
5.2.5 Einflüsse aus Bauteilform, -aufbau und -lagerung
5.2.5.1 Sonderbauweisen
5.2.5.2 Bauteildicke
5.2.5.3 Lagerungsbedingungen
5.3 Einfluss der Feuchte auf die Spannungen im Bauteil
5.3.1 Allgemeines
5.3.2 Haupteinflüsse aus der Betonzusammensetzung
5.3.2.1 Zement
5.3.2.2 Gesteinskörnung
5.3.3 Klimatische Einflüsse auf die Feuchte im Bauteil
5.3.4 Einfluss der Nachbehandlung
5.3.5 Einflüsse aus Bauteilform, -aufbau und -lagerung
5.3.5.1 Sonderbauweisen
5.3.5.2 Bauteildicke
5.3.5.3 Lagerungsbedingungen
5.4 Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR)
5.4.1 Allgemeines
5.4.2 Ursache und Wirkung der AKR
5.4.3 Einflussgrößen auf die AKR
5.4.3.1 Allgemeines
5.4.3.2 Zement
5.4.3.3 Besonderheiten von Gesteinskörnung, Zusatzstoffen und Zusatzmitteln
5.4.3.4 Klimatische Umgebungsbedingungen
5.4.3.5 Externe Alkalizufuhr
5.4.3.6 Lagerungsbedingungen
5.4.3.7 Fazit
5.5 Verkehrslast

6 Zusammenwirkung der Einflussparameter hinsichtlich kritischer Verformungs- bzw. Spannungszustände
6.1 Allgemeines
6.2 Kritische Kombinationen von Temperatur und Feuchte
6.2.1 Allgemeines
6.2.2 Die ersten 24 Stunden (Anmachen und Erstarren)
6.2.3 Die Phase der Erhärtung
6.2.4 Zusammenfassung
6.3 Thermische und hygrische Vorbelastung des Betongefüges und deren Auswirkung auf eine mögliche AKR

7 Laborumsetzung zur Untersuchung des Zusammenwirkens von thermischen und hygrischen Vorbelastungen auf die AKR
7.1 Ziel
7.2 Vorüberlegungen
7.3 Klimatische Versuchsbedingungen
7.4 Versuchsaufbau
7.5 Versuchsablaufplan

8 Zusammenfassung

9 Literaturverzeichnis

1 Einleitung

1.1 Ausgangssituation

Beton ist ein geeigneter Baustoff im Straßenoberbau, wenn Fahrbahndecken dauerhaft höchsten Verkehrslasten widerstehen sollen und lange Nutzungsdauern gefordert werden. Fahrbahndecken aus Beton werden durch Verkehrslasten, Temperatur- und Feuchteänderungen beansprucht.

Sich einstellende Verformungen und Spannungen in einer Betonstraßendecke hängen im Wesentlichen von den mechanischen und betontechnologischen Kenngrößen, sowie den Randbedingungen aus Aufbau und Lagerung ab.

In Fahrbahndecken aus Beton, sind in den vergangenen Jahren vereinzelt Schäden festgestellt worden. Unabhängig von der Standzeit, bildeten sich zunehmend Ober-flächenrisse (bevorzugt Längsrisse, vereinzelt Querrisse) [59]. Eine eindeutige Ursache konnte hierfür noch nicht gefunden werden. An Dünnschliffproben wurden raster-elektronenmikroskopische Untersuchungen durchgeführt, die teilweise Reaktionsprodukte einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) aufdeckten [46, 59]. Bei der AKR reagieren die Alkalien aus der Porenlösung mit alkaliempfindlichen Gesteinskörnungen. Sie stellt eine Volumenexpansionsreaktion dar, die rissauslösende Spannungen im Gesteinskorn, sowie in der Zementsteinmatrix verursachen kann [7, 32, 35, 63].

Ob eine AKR als Hauptursache für die aufgetretenen Schäden anzusehen ist, oder sie nur einen Beitrag zur Rissbildung liefert, ist noch nicht abschließend geklärt. Der Einfluss einer Vorbelastung des Betongefüges auf die AKR wurde bislang noch nicht berücksichtigt. Es ist davon auszugehen, dass die aufgetretenen Risse nicht allein durch eine AKR ausgelöst wurden, sondern Kombinationen und Interaktionen verschiedener lastabhängiger (Verkehrslasten), wie auch lastunabhängiger Mechanismen dafür verantwortlich sind.

Die von verschiedenen geometrischen Randbedingungen beeinflussten Einwirkungen und die sich daraus ergebenden Verformungen bzw. Spannungen einer Fahrbahnplatte sind in Abbildung 1 vereinfacht dargestellt. In dieser Abbildung ist der Längsschnitt einer, auf einer hydraulisch gebundenen Tragschicht (HGT) liegende, durch Fugen getrennte, zweischichtig ausgeführte Fahrbahnplatte abgebildet. Alle aufgezeigten Einflüssgrößen sind in den Kontext einer Vorbelastung bezüglich einer möglichen AKR zu stellen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Schematische Darstellung der Einwirkungen und Verformungen einer Betonfahrbahnplatte (in Anlehnung an [29])

1.2 Aufgabenstellung und Ziel der Arbeit

Im Rahmen dieser Arbeit sollen anhand einer umfangreichen Literaturstudie bereits vorhandene Erkenntnisse über lastunabhängige Parameter, die zu Verformungs- und Spannungszuständen in Fahrbahndecken aus Beton beitragen, zusammengestellt und hinsichtlich ihres Zusammenwirkens bewertet werden. Dabei ist zu klären, inwieweit thermische und hygrische Beanspruchungen eine AKR begünstigen und beeinflussen. Die Diplomarbeit soll neben der Auswertung der vorhandenen Literatur, auch einen Vorschlag beinhalten, wie die aus der Literaturstudie gewonnenen Erkenntnisse anhand von Versuchen im Labor untersucht werden können.

2 fahrbahndecken aus Beton

2.1 Entwicklung des Betonstraßenbaus

Die erste deutsche Betonstraße wurde 1888 in Breslau (heute Wroclaw/Polen) gebaut. In den folgenden Jahren kam diese neuartige Straßenbefestigung in zahlreichen Städten trotz des fehlenden Kraftfahrzeugverkehrs zur Anwendung. Motivation des Einsatzes in Deutschland dürfte die damals in der Entwicklung befindliche Beton- und Stahlbeton-Bauweise gewesen sein. Man erkannte bald die Vorzüge des neuen Baustoffs: große Belastbarkeit, lange Haltbarkeit und keine Staubentwicklung beim Überqueren, wie es bis dahin bei unbefestigten Wegen der Fall war. Die um die Jahrhundertwende gebauten Betonstraßen hatten Dicken von ungefähr 200 mm, einen trapezförmigen Querschnitt und wurden zweischichtig hergestellt. Die Rissproblematik wurde schon früh von Kieserling erkannt, der sich 1904/06 die Dehnungsfuge zur Rissvermeidung patentieren ließ. Die damals ausgebildeten Querfugen wurden in 6 bis 10 m Abstand als Pressfugen ausgeführt. [18]

Nach dem ersten Weltkrieg entwickelte sich der Straßenbau in Deutschland nur sehr schleppend. Erst nach 1925 wurden wieder vermehrt Betonfahrbahnen hergestellt, nicht zuletzt inspiriert durch eine Studienreise deutscher Experten in die USA. Daraufhin wurde im Jahre 1924 schließlich mit Hilfe amerikanischem Know-How („Lakewood-Finisher“) die erste deutsche Betonstraße maschinell hergestellt. [30]

Die Verdichtung des Betons erfolgte zunächst noch händisch mit Hilfe von Handrammen, später mit Pressluftstampfern und ab 1929 mit Hammerdampfmaschinen. Die aus Amerika am Markt eingeführten „Finisher“ beschleunigten den technischen Fortschritt in Richtung Straßendeckenfertiger.

Seit Herstellung der Reichsautobahnen mischte man den Beton direkt an der Einbaustelle mit Hilfe von schienengeführten Brückenfertigern. Ab 1935 verdrängten die Fertiger mit Rüttelelementen die Stampfbohlenfertiger. Die Oberflächentextur wurde durch einen händischen Besenstrich aufgebracht.

Nicht zuletzt wegen des automatisierten Einbaus stieg die Betondeckenproduktion in den Jahren 1934 bis 1939 auf ca. 52 Mio. m2 (bis 1932 insgesamt nur 2,8 Mio. m2) [30]. Die Deckendicke betrug i.d.R. 22 cm bei einer schwachen Flächenbewehrung. Bis Anfang der 1950er, wurden i.A. Raumfugen in Abständen von 10 bis 20 m ausgeführt.

Mitte der 1950er Jahre führte man den praktikableren und kostengünstigeren gleislosen Betonantransport ein. Durch die Verwendung von Beton aus zentralen Mischanlagen verkürzten sich zudem die Transportzeiten im Vergleich zum Einsatz von Brückenfertigern. Ebenso wurden erste Frostschutzschichten eingebaut, die Plattenlänge auf 10 m und später auf 7,5 m reduziert. Erste Scheinfugen sowie erste gebundene Tragschichten (Asphalt) kamen zum Einsatz. Die Bewehrung wurde weiterhin beibehalten. Anordnung von Raumfugen führte zu einem stärkeren Öffnen der benachbarten Scheinfugen, sodass Schmutz in die Scheinfugen gelangen konnte und eine Ausdehnung im Sommer verhinderte. Aktivierte Druckspannungen verursachten Abplatzungen im Fugenbereich, sowie ein Übereinanderschieben der Plattenenden (Blow-ups). [18]

Ab 1970 verzichtete man aus Angst vor der Gefahr des Ausknickens komplett auf Raumfugen. Zugleich verkürzte man den Scheinfugenabstand auf 5 m und verzichtete auf eine Flächenbewehrung. Die bituminös gebundene Tragschicht (die Regel waren 8 cm) ersetzte man durch eine hydraulisch gebundene Tragschicht mit einer Dicke von 15 cm (Streben nach einem Verbundsystem).

In den 1970er und 1980er Jahren versuchte man den schienengeführten Einbau weiter zu verbessern, er blieb dennoch sehr aufwendig. Erst durch die Einführung den ZTV Beton 78 (Deckendicken von 20 bis 24 cm) wurde es möglich die Gleitschalungstechnik der Amerikaner auch in Deutschland einzusetzen. Der Problematik der Reflexionsrissbildung wurde in den 1980er Jahren mit einem Ankerben der Tragschicht unter den Fugen der Betondecke entgegnet und in die Vorschriften aufgenommen.

Seit dem Einsatz von Geotextil als Verbundunterbrechung von Ober- und Unterschicht wurde auf ein Ankerben der Unterlage verzichtet. Die aus Mitte der 80er Jahren hervorgegangene Konstruktion von Betondecken auf ungebundenen Schottertragschichten fand wie die Bauweise mit Geotextilien ihre rechtliche Grundlage in der RStO 01 [40] und in den ZTV Beton-StB 01 [70].

Abschließend lässt sich feststellen, dass die konstruktive Durchbildung der raumfugen-losen Bauweise mit kurzen Scheinfugenabständen immer noch der Stand der Technik ist. Lediglich die extreme Zunahme des Schwerverkehrs in den vergangenen 20 Jahren machte eine Steigerung der Deckendicke in der obersten Bauklasse von 20 auf 27 cm, sowie die verstärkte Verdübelung der Querfugen und die Verankerung der Längsfugen unumgänglich. Nachdem Anfang der 80er Jahren die Probleme des Dübeleinbaus beim Gleitschalungsfertiger beseitigt wurden, setzte der Siegeszug der Gleischalungsfertiger nicht zuletzt aufgrund wirtschaftlicher Vorteile ein. [16,18]

2.2 Aufbau einer Betonstraße

Fahrbahndecken aus Beton werden in der Regel unbewehrt mit Betonen mittlerer Festigkeitsklassen hergestellt. Die Fahrbahndecke selbst wird auf einer Tragschicht hergestellt, die die Tragfähigkeit erhöht und gleichmäßige Auflagerbedingungen schafft. [4]

Die gültigen technischen Vorschriften für den Betondeckenbau mit den wesentlichen Merkmalen der Gebrauchstauglichkeit wie Festigkeit, Frost-Tausalz-Beständigkeit, Ebenheit, Rissefreiheit, Rauheit, Griffigkeit und geometrische Abmessungen, befinden sich in den ZTV Beton-StB 01 [70] („Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für den Bau von Fahrbahndecken aus Beton“). Abhängig von der Verkehrsbelastung (Äquivalente 10-t-Achsübergänge in Mio.) wird in verschiedene Bauklassen unterschieden. Die höchste Bauklasse SV ist auf 32 Mio. Achsübergänge ausgelegt. Danach folgen die Klassen I bis VI mit abnehmenden Verkehrsbelastungen.

Den Aufbau einer Betonstraße (siehe Abbildung 2) unterteilt man in:

- Oberbau (Tragschicht und Decke)
- Frostschutzschicht (FSS)
- Bodenverfestigung (ggf.)
- Untergrund/Unterbau

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Aufbau einer Betonstraße [18]

Bei der Herstellung und Aufbereitung des Untergrundes und Unterbaus handelt es sich prinzipiell um Erdbauarbeiten. Die gültigen Vorschriften sind in den ZTV E -StB 94 / Fassung 97 (Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für die Erdarbeiten im Straßenbau) geregelt. Sie enthalten die vorgenommenen Neuerungen im Bereich der Erd- und Entwässerungsarbeiten, sowie Anforderungen über Geokunststoffe und Recycling-Baustoffe. Die DIN 18196 mit ihrer Einordnung von Boden und Fels, sowie die DIN 18300 zur Klassifizierung von Boden und Fels setzen die Standards, Bodenverbesserungsmaßnahmen und Regelungen über Bodenverfestigungen stehen im Vordergrund.

Der Oberbau einer Fahrbahn in Deutschland setzt sich aus einer Betonschicht und einer oder mehreren Tragschichten zusammen. Je nach Zusammensetzung unterscheidet man:

- Tragschichten ohne Bindemittel:
- Frostschutzschichten
- Kies- und Schottertragschichten
- Tragschichten mit hydraulischen Bindemitteln:
- Verfestigungen
- Hydraulisch gebundene Tragschichten (HGT)
- Betontragschichten
- Asphalttragschichten

Die Festlegungen der RStO 01 [40] bezüglich der Bauweise und Bauklasse bestimmt die erforderliche Dicke der Tragschichten und der Betondecke. Technisches Regelwerk für Tragschichten sind die „Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen und Richtlinien für Tragschichten im Straßenbau ZTV T-StB 95 / Fassung 98“.

Bei hoch belasteten Betonfahrbahndecken von Autobahnen beträgt die Betondicke in der Regel 27 cm, wenn sie auf einer Tragschicht mit hydraulischen Bindemitteln liegt und ein Vliesstoffes als Zwischenlage (ohne Verbund) verwendet wird.

Wird die Betondecke über ihre gesamte Dicke aus einer einzigen Betonsorte gefertigt, spricht man von einer einschichtigen Bauweise. Zweischichtig bedeutet, dass die Betondecke aus zwei Schichten Beton, mit jeweils unterschiedlicher Zusammensetzung besteht. Die obere Schicht wird als Oberbeton, die untere als Unterbeton bezeichnet. Auch bei der zweischichtigen Bauweise besteht die Forderung, den Ober- unter Unterbeton mit Zement gleicher Art und Festigkeitsklasse zu fertigen. Lediglich an die Gesteinskörnung des Unterbetons werden etwas geringere Anforderungen gestellt. Die Mindestdicke des Oberbetons darf nach den ZTV Beton-StB 01 [70] 4 cm nicht unterschreiten.

2.3 Konstruktive Durchbildung

2.3.1 Fugen

Zur Vermeidung von Zugspannungsüberschreitungen und zum Ausgleich von Längenänderungen ist jede Fahrbahndecke durch Fugen in einzelne Platten zu unterteilen. Man unterscheidet Quer- und Längsscheinfugen, Raumfugen und Pressfugen. [16, 17, 64]

Scheinfugen sind Sollbruchstellen, die durch Einkerben der Betonoberfläche zur Querschnittsschwächung hergestellt werden. Es werden gezielt Risse unter den Kerben provoziert.

Raumfugen werden durch einen breiten vorgebildeten Fugenspalt ausgeführt und trennen eine Betonfahrbahndecke in ihrer ganzen Dicke. Die Platten können sich somit zwangfrei thermisch verformen.

Pressfugen (Arbeitsfugen) trennen die Fahrbahn ebenso in ganzer Dicke, lassen aber im Gegensatz zur Raumfuge keinen Raum für Längsverformungen zu.

Querfugen (quer zur Fahrtrichtung) werden meist als Scheinfugen, Längsfugen als Schein- oder Pressfugen ausgebildet. Betondecken werden normalerweise ohne Raumfugen hergestellt. Der Fugenabstand bestimmt somit die Plattenabmessungen.

2.3.2 Dübel und Anker

An den Querfugen sind zur Lastübertragung und zur Sicherung gleicher Höhenlage der Platten Dübel angeordnet. Zur Verhinderung des Auseinanderwanderns der Platten kommen an den Längsfugen Anker zum Einsatz. Fugen sind Unstetigkeitsstellen in der Spannungsverteilung. Es werden keine Momente übertragen. Dübel erlauben Längsbewegungen, übertragen nur Querkräfte und dienen der Plattenführung. Anker (profilierter Betonstahl) hingegen können Längs- und Querkräfte übertragen (siehe Abbildung 3). Bei Decken der Bauklasse SV, I bis III sind Dübel und Anker vorgeschrieben. Dübel haben einen Durchmesser von 25 mm und eine Mindestlänge von 50 cm. Abhängig von der Bauklasse werden Anker mit Durchmessern von 16 - 20 mm und Mindestlängen von 60 - 80 cm verlangt. [4]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Fugenausbildung von Betondecken [64]

2.4 Betonzusammensetzung

2.4.1 Allgemeines

Durch die hohen Beanspruchungen infolge zunehmender Verkehrszahlen und –schwere, durch Hitze, Frost und Tausalz, sowie den sich daraus ständig ändernden Temperatur- und Feuchtegradienten ergeben sich hohe Anforderungen an Fahrbahnbetone. Ein Straßenbeton muss demnach eine hohe Tragfähigkeit und Dauerhaftigkeit aufweisen. Für die Herstellung und Prüfung des Betons gilt die ZTV Beton-StB 01 [70]. Grundlagen dafür sind DIN 1045, DIN EN 206-1, ATV DIN 18316 und Technische Lieferbedingungen (TL), sowie Prüfvorschriften (TP).

Fahrbahndeckenbeton wird aus Zement, Gesteinskörnung, Wasser, Betonzusatzmitteln und gegebenenfalls Betonzusatzstoffe hergestellt. In Abbildung 4 sind die Bandbreiten typischer Kennwerte eines Straßenbetons kurz zusammengefasst.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Typische Kennwerte von Straßenbeton [49]

2.4.2 Zement

Für die Herstellung der Betondecke sind Zemente nach DIN EN 197-1 und DIN 1164-10 zugelassen. Darüber hinaus müssen Zemente für Betondecken nach dem Anmachen mit Wasser einen Erstarrungsbeginn von mehr als 2 Stunden aufweisen (ausgenommen sind Zemente für frühhochfesten Straßenbeton). In der Regel ist ein Portlandzement CEM I 32,5 R zu verwenden. Für Betondecken sind aber auch Portlandhüttenzement (CEM II/A-S und CEM II/B-S), Portlandschieferzement (CEM II/A-T und CEM II/B-T) und Portlandkalksteinzement (CEM II/A-LL) mindestens der Festigkeitsklasse 32,5 oder Hochofenzement (CEM III/A) mit mindestens der Festigkeitsklasse 42,5 zugelassen. Zemente der Festigkeitsklasse 42,5 R gewährleisten kürzere Baufristen und erhärten schneller bei niedriger Temperatur. Um die Schwindneigung des Betons zu minimieren, müssen alle Zemente ein geringes Na2O-Äquivalent aufweisen [58]. Niedrig-Alkalizemente (NA-Zemente) mit einem Gesamtalkaligehalt von 0,6 % Na2O- Äquivalent oder zugelassene Hochofenzemente (50 % Hüttensandanteil und Na2O- Äquivalent £ 1,10 M.-%) werden zur Vermeidung einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) eingesetzt. Der Zementgehalt darf bei Decken der Bauklassen SV, I bis III den Mindestwert von 350 kg/m3 verdichteten Frischbetons nicht unterschreiten. Bei zweischichtigen Decken müssen Ober- und Unterbeton mit Zement der gleichen Art und Festigkeitsklasse hergestellt werden. [23]

2.4.3 Gesteinskörnung

Die Gesteinskörnungen im Oberbau einer Betonstraße müssen ein dichtes Gefüge aufweisen. Verwendet werden natürliche Gesteinskörnungen aus rundem und ge-brochenem Korn (DIN EN 12620 oder TL Gestein-StB). Ebenso ist der Einsatz von industriell hergestellten, mineralischen Gesteinskörnungen (z.B. aus gebrochener Hochofenschlacke) und rezyklierten Gesteinskörnungen erlaubt. Alle Gesteinskörnungen müssen güteüberwacht sein. Prinzipiell gilt, dass die Verarbeitbarkeit und der Erhärtungsverlauf des Betons, sowie die Dauerhaftigkeit der Betondicke nicht negativ durch die Eigenschaften der Gesteinskörnung beeinflusst werden dürfen.

Gesteinskörnungen dürfen nur einen begrenzten Anteil abschlämmbarer Bestandteile < 0,063 mm und keine das Erhärten störenden Stoffe (organische, humose oder lösliche Salze), keine Schwefelverbindungen und keine alkalilösliche Kieselsäure (Opal, Flint) enthalten. Trotz möglicher unterschiedlicher Forderungen an die Gesteinskörnung für den Ober- und Unterbeton, sollten die Wärmedehnungskoeffizienten der Gesteine zur Ver-meidung zusätzlicher Zwangsspannungen nur minimal voneinander abweichen. [23, 16]

2.4.4 Betonzusatzmittel

Im Betonstraßenbau werden Luftporenbildner (LP), Betonverflüssiger (BV), Fließ-mittel (FM) und Verzögerer (VZ) verwendet. Die Vorschriften der DIN 1045-2 und DIN V 20000-100 regeln die Zugabemengen und Einsatzbedingungen. Durch Luftporenbildner werden Luftporen (Mikroluftporen) künstlich in den Straßenbeton eingefügt. Die Mikroluftporen müssen in ausreichender Menge, Größe und im richtigen Abstand zueinander vorliegen, um die Frost-Tausalz-Beständigkeit zu gewährleisten. Fließmittel verbessern die Verarbeitbarkeit bei gleichem w/z-Wert, oder ermöglichen einen geringeren Wassergehalt und damit einen kleineren w/z-Wert bei gleicher Verarbeitbarkeit. Bevor es zu einem kombinierten Einsatz eines Luftporenbildners und eines Fließmittels kommt, muss eine Wirksamkeitsprüfung bezüglich eines möglichen entschäumenden Effektes des Fließmittels durchgeführt werden. [23, 16]

2.4.5 Betonzusatzstoffe

Die Bedeutung von Betonzusatzstoffen im Betonstraßenbau ist nur gering. Lediglich bei einem zu geringem Anteil der feinen Gesteinskörnung < 0,125 mm (Quarz- und Kalksteinmehle), werden Betonzusatzstoffe zur Verbesserung der Verarbeitbarkeit, zur Steigerung der Dichtigkeit, sowie zur Steigerung der Festigkeit (Silikastaub) zugesetzt.

Die Zusammensetzung des Betons ist durch Eignungsprüfungen festzulegen. Dabei darf bei Betondecken der Bauklassen SV, I bis III der w/z-Wert von 0,45 nicht überschritten werden. Die Mehlkornmenge (Zement + feine Gesteinskörnung < 0,125 mm + Zusatzstoffe) ist auf 450 kg/m3 Beton begrenzt. Der Beton muss eine ausreichend hohe Menge an Mehlkorn enthalten, um ein Entmischen zu verhindern, seine Verarbeitbarkeit zu steigern und die Ausbildung eines geschlossenen Gefüges zu begünstigen. Die Kornzusammensetzung muss der DIN 1045 entsprechen. [70, 16]

2.5 Herstellung [16, 18, 64]

2.5.1 Allgemeines

Fahrbahndecken aus Beton sind so herzustellen, dass sie möglichst gleichmäßig beschaffen sind und die an sie gestellten Anforderungsmerkmale erfüllen. Die wesentlichen Forderungen betreffen die Betonfestigkeit, den Luftporengehalt, die Dicke und profil-gerechte Lage der Decke, die Lage der Dübel, sowie die Ebenheit und Griffigkeit der Oberfläche.

Der Beton wird in einer Baustellenmischanlage oder im Werk hergestellt. Die Decke kann wie schon in Kapitel 2.3 erwähnt, ein- oder zweischichtig ausgeführt werden. Der Einbau jeder Schicht erfolgt ein- oder mehrlagig. Mehrlagig bedeutet, dass Beton gleicher Zusammensetzung in mehreren Lagen eingebaut wird.

Für den Oberbeton bei zweischichtiger und den Beton bei einschichtiger Herstellung der Decke gelten zusätzliche Anforderungen bezüglich der Gesteinskörnung. Die Gesteinskörnung > 8 mm muss zu mindestens 50 % gebrochen sein. Zusätzlich muss der Gehalt vom gebrochenen Gesamtzuschlag mindestens 35 M.-% betragen. Um dies zu erreichen werden in der Regel hochwertige Splitte eingesetzt.

2.5.2 Betontransport

Im Betondeckenbau wird vorwiegend Frischbeton steifer Konsistenz eingebaut. Der Transport erfolgt mit Kippfahrzeugen. Die maximale Zeitspanne vom Mischen bis zum Einbau beträgt 60 Minuten. Frischbeton anderer als steifer Konsistenz wird in Fahrzeugen mit Rührwerk zur Baustelle befördert.

2.5.3 Einbau

Der Einbau bei großen Flächen erfolgt heutzutage fast ausschließlich mit Gleitschalungsfertigern, in der Regel wird zweischichtig oder zweilagig eingebaut. Die neuste Generation der Gleitschalungsfertiger hat eine Fertigungsbreite von über 16,75 m und kann eine Betondecke mit bis zu 45 cm Dicke zweischichtig (frisch auf frisch) mit den geforderten Qualitätsmerkmalen einbauen. Ein Gleitschalungsfertiger (siehe Abbildung 5) beinhaltet prinzipiell folgende Arbeitsschritte:

- Verteilen des Betons
- Verdichten mit Rüttelflaschen und Pressbohle
- Einrütteln der Dübel und Anker
- Höhengenaue Fertigung
- Glätten der Oberfläche
- Mitschleppen der gleitenden Schalung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Prinzip eines Gleitschalungsfertigers [64]

Um Oberbeton und Unterbeton getrennt voneinander einbauen zu können, werden entweder zwei getrennte Gleitschalungsfertiger eingesetzt, oder es werden zwei Einbauzüge zu einer Einheit zusammengebaut.

Die Dübel und Anker werden durch automatische Setzgeräte lage- und höhendefiniert eingerüttelt. Durch eine abschließende Glättbohle am Ende des Fertigers wird eine homogene Oberfläche hergestellt. Um die geforderte Höhenlage und Ebenheit einzuhalten, orientiert sich der Gleitschalungsfertiger an vorher genau ausgerichteten Spanndrähten, von denen ein Taster die Bezugshöhe abgreift.

2.5.4 Oberflächenstrukturierung – Textur

Im Anschluss an den Betoneinbau wird die Oberfläche mit dem Ziel eine hohe Griffigkeit als auch eine geringe Lärmemission zu erreichen, in einem zusätzlichen Arbeitsschritt texturiert. Heutzutage werden Betondecken mit lärmarmen Waschbetonoberflächen hergestellt. Hierbei wird ein Oberbeton mit der Sieblinie 0/8 mm nach dem Glätten mit einem Oberflächenverzögerer (VZ) eingesprüht und anschließend zur Erreichung einer ungerichteten Waschbetonstrukur ausgebürstet. [2]

2.5.5 Nachbehandlung

Nach dem Aufbringen der Textur wird die Oberfläche meist mit einem hellpigmentierten Nachbehandlungsmittel eingesprüht, dessen dichter Film der Verdunstung entgegenwirkt und durch Reflexion das Aufheizen durch Sonneneinstrahlung vermindert. Zelte zum Schutz vor Witterungseinflüssen werden nicht oder nur noch sehr selten eingesetzt. Schutz gegen starken Regen bieten Folien, gegen eine nächtliche Auskühlung können Jutematten verwendet werden.

2.5.6 Fugenherstellung

Das Schneiden der Quer- und Längsscheinfugen erfolgt, sobald der Beton eine ausreichende Festigkeit entwickelt hat. Für das Schneiden der Fugen werden automatische Fugenschneider mit eigenem Vortrieb eingesetzt. Der entstehende Fugenspalt wird gereinigt und mit einem Fugenverguss (Schutzeinlage aus Elastomeren oder Plastomeren) vor Umwelteinflüssen geschützt. Alternativ zum Fugenverguss können hohle Fugenabdichtungsprofile aus Elastomeren in die Fugen hineingedrückt werden.

3 Frischbetoneigenschaften

3.1 Hydratation

3.1.1 Allgemein

Beton ist ein künstlicher Stein, der aus einem Gemisch von Zement, Gesteinskörnung und Wasser durch Erhärten des Zement-Wasser-Gemisches (Zementleim) entsteht [42]. Der Hydratationsprozess führt zur Erhärtung des Betons.

Die Hydratation des Zements ist eine exotherme Reaktion, bei dem die Klinkerminerale des Zements mit dem Anmachwasser reagieren. Hierbei gehen sie von einem energiereicheren Zustand nach dem Brennen des Zements in einen stabileren, energie-ärmeren Zustand über. Die Zementhydratation stellt sich als komplexer Prozess von Hydrolyse- und Hydratationsvorgängen, sowie von Gel- und Kristallbildung dar. Bei diesem Prozess bilden sich nacheinander aus den Klinkerphasen die Hydratationsprodukte. Für das Erstarren des Betons ist besonders die Reaktion zwischen Tricalciumaluminat (C3A), Wasser und Calciumsulfat maßgebend, für das Erhärten dagegen die Hydratation der Calciumsilikate. [7, 32]

3.1.2 Hydratationsverlauf

Nach dem Anmachen mit Wasser beginnt der Zement zu erstarren, um nachfolgend langsam zu erhärten. Der zeitliche Verlauf der Hydratation wird nach Locher et al. [34] in drei Hydratationsstufen eingeteilt (siehe Abbildung 6).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6: Schematische Darstellung der Bildung der Hydratphasen und der Gefügeentwicklung bei der Hydratation des Zements [34]

Stufe I: „Anmachen“ (bis etwa 1 Stunden nach Zugabe des Anmachwassers)

Durch das Anmachen von Zement und Wasser entsteht Zementleim. Dieser liegt bis etwa 1 Stunde nach Wasserzugabe als Suspension von Zementkörnern ohne Festigkeit vor. Schon in den ersten Minuten bilden sich geringe Mengen an Calciumhydroxid und auf Grund einer Reaktion des C3A mit Wasser und Gips, bildet sich Trisulfat (Ettringit). [7]

Stufe II: „Erstarren“ (nach etwa 1 bis 4 Stunden)

Es bilden sich die typischen langfaserigen Calciumsilikathydrate (CSH), die zu-sammen mit einer stark fortschreitenden Ettringitbildung die einzelnen Zementkörner verbinden und den vorher noch flüssigen Zementleim ansteifen. Die faserigen Kristalle wachsen in die wassergefüllten Hohlräume zwischen den Zementpartikeln hinein und verfestigen dabei das Gefüge. Die Kristallform der CSH-Phasen ist vom zeitlichen Verlauf der Erstarrung abhängig. Tiefe Temperaturen oder eine verlangsamte Hydratation bewirken eine vollkommenere Kristallbildung und deswegen eine dichtere Packung der langfaserigen CSH-Kristalle, sowie eine höhere Endfestigkeit. [7]

Stufe III: „Erhärtung“ (nach etwa 24 Stunden)

Das Erhärten kann bis zu mehreren Jahren andauern. Es werden vermehrt kurzfaserige CSH-Kristalle gebildet, sowie nach dem Verbrauch des Gipses, auch Calciumaluminathydrate und Calciumaluminatferrithydrate (C4AF). Sie füllen die restlichen Poren bzw. verkleinern sie. Der Abbau des in den ersten beiden Stufen entstandenen Trisulfats durch C3A bzw. C4AF zum Monosulfat setzt nach ca. 3 Tagen ein. [7]

3.1.3 Hydratationswärme

Die gesamte Hydratationswärmemenge, die bis zur vollständigen Hydratation des Zements freigesetzt wird, ist in hohem Maße von den Anteilen der Klinkerphasen im Zement abhängig. Je nach Zusammensetzung, kann es daher zu unterschiedlich hoher Freisetzung der Hydratationswärme kommen. Die Klinkerphasen Tricalciumsulfat (C3S) und Tricalciumaluminat (C3A) sind für einen Großteil der freigesetzten Hydratationswärme verantwortlich [34]. Der Anteil des C3S beträgt im Schnitt ca. 65 % und der des C3A rund 10 %. Folglich führt ein kleinerer Anteil dieser Klinkerphasen im Zement zu einer verminderten Hydratationswärme. Die Mahlfeinheit und der Alkaligehalt bestimmen die Geschwindigkeit der Wärmeentwicklung [37]. Je feiner der Zement aufgemahlen wird, desto reaktiver und mehr Hydratationswärme produziert er. Die gesamte Hydratations-wärme, welche maximal freigesetzt wird, setzt sich aus der Summe der einzelnen freigesetzten Wärmebeiträgen der Klinkerphasen (C3S, C2S, C3A, C4AF, CaO und MgO) zusammen [39]. Die am ersten Tag freigesetzte Wärme ist für die Entstehung von thermisch bedingter Spannung ausschlaggebend [53, 55].

3.1.4 Hydratationsgrad und Reifefunktion

Mit dem Thema des Hydratationsgrades und der Reifefunktion haben sich diverse Autoren [25, 37, 39, 43] intensiv beschäftigt und seien als weiterführende Literatur vorab erwähnt.

Der Hydratationsgrad des Zements definiert den Fortschritt der Hydratation zu einem bestimmten Zeitpunkt. Er gibt also den Anteil des Zements an, der schon hydratisieren konnte. Wie alle chemischen Prozesse, ist die Hydratation eine temperaturabhängige Reaktion. Bei hohen Temperaturen läuft sie schneller ab, als bei Niederen. Eine Erhöhung der Reaktionstemperatur um 10 K verdoppelt in der Regel die Hydratations-geschwindigkeit. Dadurch wird bei hohen Temperaturen der gleiche Hydratationsgrad viel früher erreicht, als bei niederen Temperaturen. Ein Abschätzen des Hydratationsgrades aus der reinen Hydratationsdauer ist somit meist nicht sinnvoll. Um den Hydratationsfortschritt auch bei veränderlichen Reaktionstemperaturen vergleichen zu können, ist eine Bezugsgröße notwendig, welche eine Abschätzung unabhängig von Dauer und der Erhärtungstemperatur erlaubt. Man benutzt ein um unterschiedliche Erhärtungs-temperaturen bereinigtes, so genanntes „wirksames“ Alter. Betone mit gleichem wirksamen Alter, weisen dann auch den gleichen Hydratationsgrad auf. Das wirksame Alter wird mit der Änderung der Geschwindigkeit des Hydratationsprozesses, bei unterschiedlichen Erhärtungstemperaturen mit einer Reifefunktion bestimmt. Dabei entspricht das wirksame Alter des Betons seinem tatsächlichen Alter, wenn die Hydratation bei konstanten 20°C abgelaufen ist.

3.2 Gefüge des Betons

3.2.1 Zementgel

In der ersten Stufe der Hydratation, beim sogenannten „Anmachen“ des Zements, entstehen an der Zementkornoberfläche kleinste Hydratationsprodukte, welche in die mit Anmachwasser gefüllten Zwischenräume hineinwachsen (siehe Abbildung 7). Sie bilden das Zementgel. Selbst bei dichtester Packung können sie den Raum nicht vollständig ausfüllen [32].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 7: Schematische Darstellung der Hydratation eines Zementkorns [32]

3.2.2 Porenraum und Porenwasser

Die verbleibenden kleinen Zwischenräume zwischen den Hydratphasen werden als Gelporen bezeichnet. Die Gelporen haben einen Durchmesser von 10-9 bis 10-8 m. Das in den Gelporen physikalisch gebundene Wasser nennt man Gelwasser.

Durch „chemische Bindung“ während der Hydratation kann der Beton theoretisch 25 % Wasser (bezogen auf die Zementmasse) binden. Zusätzlich kann das Zementgel noch ca. 15 % Wasser adsorbieren. Dieses Gelwasser nimmt nicht an der eigentlichen Hydratation der Zementpartikel teil und ist, im Gegensatz zu dem in den Hydratphasen gebundenen Wasser, bei 105°C verdampfbar.

Das Masseverhältnis von Wasser zu Zement, der w/z-Wert, bestimmt den Aufbau und damit die Festigkeit des Zementsteins. Je größer der w/z-Wert einer Mischung ist, desto geringer sind die Festigkeit und Dichtigkeit des Betons.

Theoretisch besitzt der Beton bei einem w/z = 0,4 nur Gelporen, welche den Raum vollständig ausfüllen würden. Bei einem w/z-Wert kleiner 0,4 reicht das Anmachwasser nicht aus, um die Zementkörner vollständig zu hydratisieren, das heißt es verbleiben unhydratisierte Anteile vom Zementklinker im Beton. Bei großen Wassermengen mit deutlich höheren w/z-Werten als 0,4 ergeben sich große Abstände der Zementpartikel untereinander. Denn das Zementgel reicht nicht mehr aus, um alle Zwischenräume zu füllen. Durch Überschusswassermengen verbleiben größere Hohlräume im Zementstein, welche als Kapillarporen bezeichnet werden. Die Durchmesser der Kapillarporen liegen zwischen 10-8 und 10-5 m. Zusätzlich können im Zementstein noch weitere Poren entstehen: Luftporen, gebildet durch Lufteinschlüsse bzw. Luftporenbildner (LP) mit Durchmessern im Bereich von 10-4 m (0,1 – 0,3 mm), sowie selbst bei sehr sorgfältigem Rütteln verbleibende Verdichtungsporen mit Durchmessern von 10-3 bis 10-2 m. [32, 42]

4 FestbetonEigenschaften

4.1 Entwicklung der mechanischen Eigenschaften

Die mechanischen Eigenschaften, wie z.B. Druck- und Zugfestigkeit und Elastizitätsmodul (E-Modul) entwickeln sich im jungen Alter unterschiedlich schnell und unterscheiden sich zudem in ihrem Verlauf (siehe Abbildung 8). Sie werden meist in Abhängigkeit von der Betonfestigkeit nach 28 Tagen dargestellt. Die Bestimmung einzelner Material-eigenschaften ist im jungen Beton sehr schwierig, da diese sehr stark von der Temperatur abhängen und sich schnell ändern. Mit zunehmendem Hydratationsgrad steigt nicht nur die Druckfestigkeit, sondern auch die übrigen mechanischen Kenngrößen nehmen zu.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 8: Vergleich der zeitlichen Entwicklung von Druckfestigkeit, Zugfestigkeit und Elastizitätsmodul [67]

Da die Druckfestigkeit am leichtesten zu bestimmen ist, werden die Entwicklungen anderer Kennwerte (z.B. Zugfestigkeit) häufig aus ihr abgeleitet. Die Entwicklung der Zugfestigkeit steht direkt mit der Rissentstehung im jungen Beton im Zusammenhang. In Abbildung 8 ist zu erkennen, dass die zeitlichen Entwicklungen von Zug- und Druckfestigkeit in den ersten beiden Tagen fast übereinstimmen, danach bildet sich die Zugfestigkeit etwas schneller aus. Die Zugfestigkeit erreicht circa 50 % ihrer Endfestigkeit (bezogen auf den Wert nach 28 Tagen) nach 2 Tagen.

Der E-Modul charakterisiert den Verformungswiderstand, das heißt die Steifigkeit des Betons. Er wird durch das Verhältnis der einwirkenden Spannung zur dazugehörigen Dehnungsänderung beschrieben und durch die Spannungs-Dehnungslinie (Arbeitslinie) dargestellt. Aus dieser Kurve lassen sich die Verformungskennwerte des Betons ableiten. Erst nach 6 bis 8 Stunden entwickelt sich ein messbares Elastizitätsmodul, zuvor verhält sich der Beton weitgehend viskos. Dennoch entwickelt der Beton in der Regel schon nach 24 Stunden ca. 60 % des Gesamtelastizitätsmoduls. Der Endwert des E-Moduls wird nach 2 bis 7 Tagen erreicht und entwickelt sich somit wesentlich früher und schneller als zum Beispiel die Druck- bzw. Zugfestigkeit.

4.2 Verformungsbehinderung

4.2.1 Allgemeines

Eine eingeschränkte freie Verformbarkeit hat an Betonbauteilen Eigen- und/oder Zwangsspannungen zur Folge. Verformungen können entweder von innen, oder von außen behindert werden. Eine innere Verformungsbehinderung erfolgt durch das Bauteil selbst, während eine äußere Verformungsbehinderung durch Zwangbedingungen wie z.B. Reibung verschuldet wird.

4.2.2 Innere Verformungsbehinderung

Sobald sich benachbarte Bereiche im Bauteil unterschiedlich verformen möchten, wird die innere Verformungsbehinderung aktiviert, da solche Verformungen aufgrund des Ebenbleibens der Querschnitte nicht möglich sind. Zur Erreichung eines ebenen Verformungszustandes entwickeln sich den Verformungen entgegen gerichtete Eigen-spannungen. Diese Eigenspannungen führen zu einer vollständigen Verformungs-behinderung. Sie bewirken keine äußeren Verformungen und stehen über den Bauteilquerschnitt im Gleichgewicht. Die Lagerungsart hat auf die Eigenspannungen keinen Einfluss. [25, 39]

4.2.3 Äußere Verformungsbehinderung

Eine statisch unbestimmte Lagerung ruft immer eine äußere Verformungsbehinderung hervor. Das Ergebnis der Verformungsbehinderung sind Zwangspannungen im Bauteil, die sich durch die Art der Verformungsbehinderung unterscheiden. Biegezwangspannungen treten dann auf, wenn Biegeverformungen, wie z.B. Aufwölben/Aufschüsseln behindert werden. Dagegen hat die Behinderung einer gleichmäßigen Längenänderung zentrische Zwangspannungen zur Folge. Eine vollständige äußere Verformungsbehinderung ist meist nur unter Laborbedingungen zu erreichen. [25, 39]

4.3 Thermisches Verhalten

4.3.1 Allgemeines

Beton dehnt sich, wie die Mehrheit aller anderen Stoffe, bei Erwärmung aus und zieht sich bei Abkühlung (nicht unter den Gefrierpunkt) zusammen. Thermische lastunabhängige Verformungen sind folglich das Ergebnis von auf den Beton wirkenden Temperatur-änderungen. Als Maß für die Wärmedehnung im Beton dient die Wärmedehnzahl aT, welche nach DIN 1045-1 [14] in der Regel mit 10-5 1/K anzusetzen ist. Die Verformung und die Temperaturänderung verhalten sich proportional zueinander. Grundsätzlich wird die Wärmedehnzahl des Betons von den Wärmedehnzahlen der Ausgangsstoffe bestimmt. Folglich bestimmt bei normaler Mischungszusammensetzung der, gegenüber dem Zementstein, deutlich höhere Anteil an Gesteinskörnung, maßgeblich die Wärmedehnzahl.

Da Beton ein Stoffgemisch mit unterschiedlichen Ausgangsstoffen. Aufgrund ungleicher geologischer Herkunft oder kristalliner Struktur unterscheiden sich die jeweiligen Anteile meist in ihren Wärmedehnzahlen. Das heißt, die einzelnen Bestandteile würden sich bei Erwärmung unterschiedlich stark ausdehnen, insofern die Verformung nicht behindert wird. Ein in der Regel fester Verbund im Beton bewirkt an den Grenzflächen benachbarter Teile eine in alle Richtungen gleich große Dehnung. Daraus entstehen in Bestandteilen mit größeren Wärmedehnzahlen Druckspannungen und in Bestandteilen mit kleineren Wärmedehnzahlen Zugspannungen, welche sich folglich gegenseitig überlagern.

4.3.2 Thermische Eigenschaften des Betons

4.3.2.1 Wärmedehnung

Temperaturänderungen führen zu Verformungen, die proportional zur Wärme-dehnzahl aT [1/K] sind. Die Wärmedehnzahl aT wird am stärksten durch den mineralogischen Aufbau der Gesteinskörnung (Kristallstruktur) und den Feuchtegehalt des Betons beeinflusst. [21, 39]

Beim Frischbeton wird die Wärmedehnzahl aT sehr stark von der hohen Dehnzahl des enthaltenen Wassers beeinflusst. Beim Festbeton wird die Wärmedehnung durch die Zuschläge behindert und ist daher ungefähr 10-mal niedriger. Bei jungem Beton liegt die Wärmedehnzahl theoretisch zwischen der des Frisch- und der des Festbetons. [67]

4.3.2.2 Wärmeleitung

Die Wärmeleitfähigkeit l [W/m∙k] ist von der Temperatur, dem Feuchtegehalt, der Porosität, der Zuschlagart, dem Zuschlaggehalt und dem Hydratationsgrad des Betons abhängig. Hohe Feuchtegehalte bewirken eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Da infolge der Hydratation Wasser chemisch gebunden wird, nimmt die Wärmeleitfähigkeit mit zunehmendem Hydratationsgrad ab. Über die einzelnen Betonbestandteile und deren Wärmeleitzahlen lässt sich die Wärmeleitfähigkeit des Betons abschätzen. [21, 34, 39]

4.3.2.3 Wärmespeicherung

Die spezifische Wärmekapazität c [J/kg∙k] kennzeichnet das Vermögen eines Bauteils Wärme zu speichern. Wie auch die Wärmeleitfähigkeit, ändert sich die spezifische Wärmekapazität des Betons in Abhängigkeit der Temperatur und des Hydratationsgrades. Sie lässt sich aus den Anteilen der Ausgangsstoffe des Betons und deren spezifischen Wärmekapazitäten bestimmen. Eine Zunahme der Temperatur bewirkt eine Erhöhung der spezifischen Wärmekapazität. Hingegen führt der Fortschritt der Hydratation nur zu einer geringfügigen Verminderung derselben. [21, 34, 39]

4.3.2.4 Wärmeaustausch

Zwischen Luft und Bauteil findet ein Wärmeaustausch durch Leitung, Konvektion ak und Strahlung as statt. Dieser ist voneinander unabhängig. Die übertragene Wärmemenge wird durch den Wärmeübergangskoeffizienten [W/m2∙k] (ages = ak + as) bestimmt. Der Wärmeaustausch durch Leitung und Konvektion wird von der Art der Nachbehandlung, der Oberflächenstruktur, der Temperaturdifferenz zwischen der Bauteiloberfläche und der anstehenden Luft, sowie insbesondere von der Windgeschwindigkeit bestimmt. Neben den Faktoren der Oberflächentemperatur des Bauteils und der umgebenden Luft, sind vor allem Neigung und die Farbe des Bauteils sowie dessen Himmelsrichtung für den Wärmeübergang durch Strahlung von großer Bedeutung. [21, 34, 39]

4.4 Hygrisches Verhalten

4.4.1 Feuchtetransport

Beim Vorherrschen einer ungleichen Feuchteverteilung innerhalb des Betons oder zwischen dem Beton und seiner Umgebung, erfolgt ein Feuchtetransport zum Ausgleich dieser. Abhängig vom Porensystem (Anzahl, Art und Größe der Poren) sowie vom Aggregatszustand des Wassers, unterscheidet man zwischen verschiedenen Transport-mechanismen. Hauptsächlich für den Transport von Feuchte im Beton verantwortlich sind der kapillare Wassertransport und die Wasserdampfdiffusion. Die größte Feuchte-transportkapazität geht von der Kapillarleitung aus. Sie kann zu großen Masseverlusten im Beton führen.

4.4.2 Schwinden und Quellen

Feuchtebedingte Verformungen, wie das Schwinden und Quellen des Betons, werden maßgeblich durch zwei unterschiedliche Werkstoffeigenschaften bestimmt: der Feuchteleitfähigkeit und der Schwindverformungszahl [58].

Die Feuchteleitfähigkeit wird entscheidend durch den Kapillarporenanteil im Beton beeinflusst. Sie bestimmt neben der Umgebungsfeuchte auch die Änderung des Feuchtegehalts über den Querschnitt. Je poröser und wassergesättigter der Beton ist, desto größer ist folglich seine Feuchteleitfähigkeit. Die Schwindverformungszahl ist eine experimentell bestimmte Kennzahl für die auftretenden Verformungen infolge Aus-trocknung bzw. Feuchteaufnahme.

Die entstehenden Verformungen werden durch Volumenänderungen der schichtförmig aufgebauten Hydratationsprodukte infolge von Entzug oder Einbau von Zwischen-schichtwasser hervorgerufen, oder sie resultieren aus den angreifenden Kapillarkräften. Kleinere Poren bewirken größere Kapillarkräfte, die größere Verformungen aber kleinere Wassergehaltsschwankungen bewirken. Umgekehrt verursachen größere Kapillarporen kleinere Kapillarkräfte, welche geringere Verformungen bei höheren Wassergehalts-änderungen zur Folge haben.

Der Sättigungsgrad der Kapillarporen bestimmt, wie schnell Feuchte aus den Gelporen entweichen bzw. aufgenommen werden kann. Bevor die Gelporen austrocknen und letztlich das Schwinden auftritt, müssen zuerst die Kapillarporen entwässert werden. Es werden im Wesentlichen vier Arten des Schwindens bzw. Quellens [38] unterschieden:

- Plastisches Schwinden (Früh- oder Kapillarschwinden):

Austrocknung (Wasserentzug) des noch nicht erhärteten Betons durch wassersaugende Gesteinskörnungen oder durch Verdunstung an der Oberfläche (irreversibel).

- Austrocknungsschwinden und Quellen:

Austrocknung (= Abgabe des chemisch nicht gebundenen freien Wassers aus den Kapillarporen) bzw. Feuchteaufnahme des erhärteten Betons (reversibel)

- Chemisches Schwinden (Autogenes Schwinden) und Quellen:

Volumenabnahme des Zementsteins infolge Hydratation (= chemische Einbindung des Anmachwassers in die Hydratphasen)und Volumenzunahme infolge einer späten Ettringitbildung (irreversibel)

- Carbonatisierungsschwinden:

Geringe Volumenabnahme aufgrund fortschreitender Carbonatisierung (irreversibel). Chemisch gebundenes Wasser entweicht durch den Prozess der Carbonatisierung.

Die Überlagerung der einzelnen Schwindarten ergibt die Gesamtschwindverformung. Demnach stellen nur das plastische Schwinden, das Austrocknungsschwinden und das Quellen feuchtebedingte Schwindarten dar. Alle anderen Prozesse sind vom Feuchtegehalt des Betons unabhängig.

4.5 Kriechen und Relaxation

4.5.1 Allgemeines

Kriechen und Schwinden sind Auswirkungen des rheologischen Verhaltens von Betons. Dieser weist unter Last ein zeitabhängiges Verhalten auf, welches auf das viskoelastische Verhalten des Zementsteins zurückzuführen ist. [67]

4.5.2 Kriechen [8, 38, 66, 67, 68]

Kriechen ist die zeitabhängige Zunahme der Verformung bei konstanter Spannung. Die Gesamtverformung unter Belastung setzt sich aus viskosen und plastischen, verzögert elastischen und aus elastischen Verformungsanteilen zusammen.

In den ersten Stunden der Hydratation ist der Anteil der viskoelastischen Kriechverformungen an der Gesamtverformung am größten. Das heißt, die Kriech-verformungen wirken sich entscheidend auf die hydratationsbedingte Zwangsspannungs-entwicklung im jungen Beton aus (siehe Kapitel 4.6).

Die Kriechverformungen von Beton werden hauptsächlich durch den Zementstein verursacht. Demzufolge ziehen hohe Zementgehalte und Wassermengen, die zur Vergrößerung des Porenraumes beitragen, ein größeres Kriechen nach sich. Die Gesteinskörnung wirkt dem Kriechen entgegen. Sie behindert die Verformung umso mehr, je größer ihr E-Modul und je niedriger ihre Porosität ist. Gerade bei jungem Beton sind die verwendete Zementart und Zementfestigkeitsklasse von großer Bedeutung, da diese die Hydratations- bzw. Erhärtungsgeschwindigkeiten beeinflussen. Eine schnelle Erhärtung (Entwicklung des E-Moduls) führt zu einem geringeren Kriechen.

Die klimatischen Umgebungsbedingungen, speziell die Temperatur- und Feuchtebedingungen, spielen eine entscheidende Rolle bei zu erwartenden Kriech-verformungen. Bei hohen vorherrschenden Temperaturen vergrößert sich das Kriechen, besonders beim jungen Beton. Ein größerer Feuchtegehalt im Beton führt ebenso wie relativ kleine Umgebungsfeuchten (austrocknungsfördernde Bedingungen) zu erhöhten Verformungen.

Das Belastungsalter, sowie die Dauer und die Schwere der Belastung stellen zusätzliche Einflussgrößen auf das Kriechmaß des Betons dar.

4.5.3 Relaxation [39, 66, 67]

Relaxation ist die zeitabhängige Abnahme der Spannung bei konstanter Verformung. Sämtliche das Kriechen des Betons vergrößernde Einflüsse, verstärken ebenfalls die Relaxation, d.h. den Abfall der Spannungen.

Der größte Teil, der bei der Relaxation auftretenden zeitabhängigen Verformungen, wird durch die Verformung der Gelstruktur und die Kapillarspannung des chemisch nicht gebundenen Wassers verursacht. Der Verlauf und das Ausmaß der Betonrelaxation werden insbesondere vom Klima (besonders Temperatur und Luftfeuchte), der Zementmenge, dem w/z-Wert und den Querschnittsabmessungen beeinflusst.

Ebenfalls spielen die Porosität des Zementsteins, die Zementart, die Steifigkeit und die Korngröße des Zuschlags eine nicht zu vernachlässigende Rolle.

Spannungen werden besonders im jungen Beton schnell abgebaut. Deshalb wirkt sich ein Belastungsbeginn innerhalb des ersten Tages nach der Herstellung besonders stark auf die Relaxation der temperaturbedingten Druckspannungen aus. Durch Temperaturbelastung hervorgerufene Spannungen relaxieren umso stärker, je langsamer die Temperatur-änderung auftritt. Deshalb relaxieren Spannungen aus jahreszeitlich bedingten Temperatur-schwankungen in einem größeren Maß, als Spannungen infolge Tag-Nacht-Wechsel oder extremen Witterungsbedingungen (z.B. Sommergewitter, Hagel).

Da Relaxation und Kriechen auf denselben mechanisch-physikalischen Vorgängen beruhen, wird die Relaxation des Betons in der Regel über sein Kriechverhalten abgeschätzt.

4.6 Verformungen und Spannungsentwicklung

4.6.1 Thermische und hygrische Spannungsentwicklung

Bei der Erhärtung von Beton wird durch die chemische Reaktion des Anmachwassers mit dem Zement, Hydratationswärme freigesetzt. In dünnen Betonbauteilen kann die Hydratationswärme fast ungehindert abfließen, in dicken Bauteilen hingegen führt diese zu dessen Erwärmung. Diese Temperaturänderungen führen zu Verformungen und bei deren Behinderung entstehen Zwang- und Eigenspannungen. Neben der maximalen Hydratationswärme werden die Spannungen durch die zeitliche Entwicklung der mechanischen Eigenschaften des Betons beeinflusst (siehe Kapitel 4.1), welche im Wesentlichen von der Temperaturentwicklung im Bauteil abhängig sind. Maßgebender Parameter der mechanischen Eigenschaften auf die Spannungsentwicklung ist neben der Betonzusammensetzung, die zeitliche Entwicklung des E-Moduls. Im jungen Beton ist besonders der Einfluss von Kriechen bzw. Relaxation zu beachten (siehe Kapitel 4.5) [50].

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