Erforscht wird auch die Praxistauglichkeit

Erforscht wird auch die Praxistauglichkeit

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Teaserbild-Quelle: zvg
Die Betontechnologie hat in den vergangenen Jahren eine enorme Entwicklung durchlaufen. Der herkömmliche Beton bleibt dennoch eine Thema der Forschung: Zukunftsweisende Methoden sind nicht nur bei Neubauten, sondern auch bei der Instandsetzung bestehender Bauten gefragt.
 
 
Ultra-hochleistungsfähige Faserbetone (UHFB) zeichnen sich im Vergleich zu herkömmlichen Betonsorten durch eine hohe Dichtigkeit, hohe Zug- und Druckfestigkeiten sowie eine Rissfreiheit bis zu Verformungen von 1,5 bis 2,5 Promille aus. Damit können gleichzeitig tragende und wasserdichte UHFB-Schichten von 30 bis 60 Millimetern Stärke auf diejenigen Bereiche aus herkömmlichem Stahlbeton aufgebracht werden, die durch starke Umwelteinflüsse (zum Beispiel Einwirkung von Tausalzen) oder hohe Kräfte stark beansprucht sind. Um einen UHFB zu erhalten, der mit Stahlbeton kombiniert werden soll, ist es vorteilhaft, ihn mit Betonstahl in der Hauptbeanspruchungsrichtung zu bewehren. Mit dem hochwertigen Baustoff können so die Schwachpunkte der Betonbauweise ausgemerzt und Betonbauteile verbessert werden. Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, dass das Bauwerk verstärkt werden kann, ohne dass es zu einer Erhöhung des Eigengewichts kommt. Verstärkungen anderer Bauteile können so vermieden werden. Die nachfolgenden Beispiele von Anwendungen zeigen das Potential dieser neuartigen Bauweise auf.
 

Forschung an der ETH Lausanne

Seit mehr als zehn Jahren befasst sich die ETH Lausanne mit dem Einsatz von UHFB für die Instandsetzung und Veränderung von bestehenden Bauwerken aus Stahlbeton, insbesondere von Brücken. Dabei wird vor allem das Verbundverhalten von zusammengesetzten Querschnitten aus UHFB und Stahlbeton untersucht.
 
Die Forschungsergebnisse zeigen, dass sich UHFB – Stahlbeton Verbundbauteile – monolithisch verhalten. Im Gebrauchszustand vergrössert die UHFB-Schicht die Steifigkeit des Verbundbauteils und die UHFB Schutzschicht wirkt wie eine Abdichtung gegenüber Wasser- und Chlorideintritt. Der Tragwiderstand des Verbundbauteils kann mit bewehrtem UHFB deutlich gesteigert werden. Ausserdem kann das zeitabhängige Verhalten und das Bruchverhalten von UHFB-Stahlbeton Verbundbauteilen mit Modellen zuverlässig vorhergesagt werden.
 
Bei den nachfolgend beschriebenen Anwendungen wurden verschiedene UHFB Mischungen eingesetzt. Diese unterschieden sich je nach Anforderungen an die Verarbeitbarkeit und mechanischen Eigenschaften im Zementgehalt (im Bereich von 1000 bis 1400 Kilogramm/Kubikmeter), im Fasergehalt (10 bis 13 Millimeter lange und 0,16 Millimeter dünne Stahlfasern mit einer Dosierung von 3 bis 6 Volumenprozent) und in der Beigabe von Hochleistungsverflüssiger. Die Mischdauer in herkömmlichen Betonmischern war, verglichen mit Beton, deutlich länger, doch soll dieser Aspekt in Zukunft verbessert werden. Auf der Baustelle wurde die bestehende Betonoberfläche jeweils mit Hochdruckwasserstrahlen und in einem Fall mit Sandstrahlen vorbereitet. Damit konnte ohne mechanische Verbindungselemente ein genügender Verbund für ein monolithisches Tragverhalten der UHFB-Stahlbeton Verbundbauteile erreicht werden. Der selbstverdichtende UHFB wurde mit üblicher Gerätschaft in vergleichsweise kurzer Zeit eingebaut. Dabei ergab sich jeweils eine in der Fläche gleichmässig verteilte Faserausrichtung.
 

Klassische Instandsetzung

Im Jahr 2004 wurde eine rund fünfzigjährige Balkenbrücke mit einer Spannweite von zehn Metern gemäss dem in Bild 3 dargestellten Konzept mit UHFB instandgesetzt und verbreitert. Diese Anwendung beinhaltete viele der in der Schweiz typischen Problemstellungen einer Instandsetzung von Strassenbrücken aus Stahlbeton: Durch Chloride verursachte Korrosionsschädigung der Randabschlüsse und der Oberseite der Fahrbahnplatte, wobei die Arbeiten zur Instandsetzung unter Aufrechterhaltung des Strassenverkehrs ausgeführt werden mussten. Der UHFB wurde nur in denjenigen Bereichen des Bauwerks eingesetzt, welche neu den höchsten Beanspruchungen (Expositionsklassen XD2, XD3) dauerhaft standhalten müssen. Der selbstverdichtende UHFB konnte ohne Schwierigkeiten in einem örtlichen Fertigbetonwerk hergestellt und auf der Baustelle durch eine örtliche Bauunternehmung unter Verwendung üblicher Geräte eingebaut werden. Die Baukosten waren vergleichbar mit den geschätzten Kosten für eine herkömmliche Lösung. Die Dauer der Baustelle war indes deutlich kürzer.
 

Kurze Einbauzeiten auf Autobahnen

Die Leitmauern einer Autobahnbrücke wurden im September 2006 mit einer drei Zentimeter dicken UHFB-Schicht beschichtet, mit dem Ziel, eine möglichst dauerhaftes Bauteil zu erstellen, denn aus betrieblichen Gründen wäre eine neuerliche Instandsetzung nur unter einem sehr grossen Aufwand möglich. Die aufgebrachte UHFB-Schicht hat ausschliesslich eine Schutzfunktion. Das vertikale Einbringen des selbstverdichtenden Frisch-UHFB in den drei Zentimeter schmalen Hohlraum zwischen Schalung und der Oberfläche der Leitmauer aus herkömmlichem Stahlbeton erwies sich auch über eine Höhe von rund 1,2 Meter als gut machbar.
 
Im Frühjahr 2007 wurde ein durch chloridinduzierte Bewehrungskorrosion beschädigter Brückenpfeiler im Mittelstreifen einer stark befahrenen Autobahn instandgesetzt. Zur Anwendung kamen vorgefertigte Elemente aus UHFB, durch die der Pfeiler mit einem dauerhaften Schutzschild gegen das Eindringen von Chloriden und Wasser geschützt wurde (Bild 4 auf folgender Seite). Die Vorfabrikation erwies sich wegen der begrenzten Zugänglichkeit des Brückenpfeilers als vorteilhaft. Nach dem Abtrag des mit Chloriden verseuchten Betons wurden die einzelnen, 40 Millimeter dünnen und vier respektive zwei Meter hohen UHFB-Panels montiert und mit einem Zweikomponenten-Epoxy-Kleber verbunden; der Hohlraum hinter dem «UHFB-Schild» und dem bestehenden Pfeiler wurde mit einem selbstverdichtenden Mörtel verfüllt.
 

Standortunabhängige Anwendung

Eine fünfzigjährige befahrbare Hochbaudecke aus Stahlbeton eines Feuerwehrgebäudes wurde im Herbst 2007 im Hinblick auf künftige, schwerere Feuerwehrfahrzeuge verstärkt, indem eine 40 Millimeter starke, bewehrte UHFB-Schicht als Ersatz des vorhandenen Überzugs aufgetragen wurde. Die zusätzliche Schicht aus UHFB führte zu einer Erhöhung der tragenden Deckenstärke, die eine gleichmässigere Verteilung der Radlasten, eine Vergrösserung der statischen Höhe sowie eine Erhöhung des Tragwiderstands (Biegung und Querkraft) durch den hochfesten Baustoff unter Beibehaltung der ständigen Lasten bedeutete. Die Baukosten erwiesen sich als deutlich geringer als der ursprünglich vorgesehene Ersatzneubau der Decke. Zudem konnten die Beeinträchtigungen des Betriebs und damit die Kosten beträchtlich reduziert werden.
 
Die Fahrbahnplatte einer Brücke von hohem kulturellem Wert, die dem Strassenverkehr in einem kleinen Dorf dient, wurde im September 2008 instandgesetzt und verstärkt, indem eine bewehrte UHFB-Schicht für die Wiederherstellung der Trag- und Schutzfunktion aufgebracht wurde. Der frische UHFB wurde in einer nahe gelegenen Betonzentrale hergestellt, mit Lastwagen angeliefert und von einer örtlichen Baufirma eingebaut. Durch Einstreuen von Kieskörnern auf die frisch eingebaute UHFB Schicht wurde eine direkt befahrbare UHFB-Fahrbahnfläche hergestellt.
 
Eine im Juli 2009 in Slowenien ausgeführte Anwendung betrifft eine UHFB-Schutzbeschichtung der Fahrbahnplatte und Randabschlüsse einer 65 Meter langen Strassenbrücke. Es wurde eine UHFB-Mischung mit örtlich vorhandenen Ausgangsstoffen hergestellt. Diese Mischung verhielt sich thixotrop (veränderliche, bewegungsabhängige Konsistenz), wodurch ein Längsgefälle von fünf Prozent realisiert werden konnte Die Baukosten waren kleiner als die geschätzten Kosten für eine herkömmliche Instandsetzung. Weitere Anwendungen zur Verbesserung bestehender Betonbauten, insbesondere bei Fahrbahnplatten von Brücken, sind in Bearbeitung oder stehen vor der Ausführung.
 

Mischbauweise bei Neubauten

Ist es sinnvoll, Stahlbetonbauten mit Querschnitten aus demselben Beton herzustellen? Wenn man sich überlegt, welche Bereiche wie beansprucht werden, kommt man zum Schluss, dass die Verwendung nur einer Betonqualität nicht effizient sein kann. Die Mischbauweise, bei der «edlere» Baustoffe in stark beanspruchten Bereichen eingesetzt werden, ist ein neuartiges Konzept im Betonbau.
 
Die Idee besteht darin, die als Schwachpunkte bekannten Bereiche eines Bauwerks mit UHFB zu verbessern. Als Beispiel dient das Projekt für den Neubau einer zweifeldrigen Autobahnüberführung. Sie wurde nach dem Prinzip entworfen, UHFB einzig in den stark exponierten Tragwerksbereichen einzusetzen, also an der Oberseite der Fahrbahnplatte, an den Randabschlüssen sowie im Bereich des Auflagers über dem Mittelpfeiler. Alle anderen Teile des Brückentragwerks verbleiben in herkömmlichem Stahlbeton, denn diese Teile sind einer nur mittleren Exposition ausgesetzt. Das Bauprogramm für den Überbau sieht eine Dauer von nur 30 Tagen vor.
 
Die vorfabrizierten Spannbetonträger werden zunächst auf der Baustelle montiert, und der Raum zwischen den Trägern über dem Mittelauflager wird mit UHFB aufgefüllt, wobei gleichzeitig ein UHFB Gelenk hergestellt wird. Danach werden die Längsfugen zwischen den vorfabrizierten Trägern mit UHFB ausgegossen, und es wird eine 30 Millimeter dicke UHFB Schicht als Abdichtung der gesamten Fahrbahnplatte hergestellt. Die Brückenkappenelemente werden in UHFB vorfabriziert und auf der Fahrbahnplatte mit einem Epoxykleber befestigt. Schliesslich wird der Strassenbelag eingebracht. In diesem Beispiel wird UHFB in unterschiedlichen Mischungen als Ortbeton und auch in der Vorfabrikation eingesetzt.
 

Ausblick

Die aussergewöhnlichen Eigenschaften von UHFB ermöglichen neuartige Lösungen für die dauerhafte Instandsetzung und Veränderung sowie für den Neubau von Betonbauten. Das Tragverhalten im Gebrauchszustand, der Tragwiderstand und die Dauerhaftigkeit werden deutlich verbessert. Die Anwendungen unter echten Baustellenbedingungen und unter Verwendung der üblichen Gerätschaft zeigen, dass die UHFB Technologie reif ist für eine breite Anwendung. UHFB ist in der Herstellung zwar um eine Grössenordnung teurer als herkömmliche Betone, ermöglicht dafür aber rationellere Bauvorgänge von kürzerer Dauer. Dies führt somit nicht unbedingt zu höheren Baukosten als die herkömmliche Betonbauweise. Auch sind bei kürzerer Bauzeit die Nutzerkosten geringer. Zudem lassen die qualitativ besseren UHFB-Beton-Verbundbauten erwarten, dass die über die Nutzungsdauer anfallenden Unterhaltskosten wesentlich geringer sein werden.
 
Betreffend der Umweltverträglichkeit kann gesagt werden, dass UHFB zwar mit sehr hohen Zementmengen hergestellt wird, doch kann die geforderte technische Leistungsfähigkeit mit relativ dünnen UHFB Schichtstärken erreicht werden. Es kann somit abgeschätzt werden, dass insgesamt gegenüber der herkömmlichen Betonbauweise die verwendete Zementmenge etwa gleich bleibt, die Kiesreserven jedoch geschont werden. Somit sind der Energieaufwand und der CO2-Ausstoss insgesamt geringer als bei herkömmlichen Bauweisen. Durch den (der UHFB-Technologie zu Grunde liegenden) schonenderen Umgang mit bestehender Bausubstanz können zudem bei der Erhaltung von Betonbauten die Rückbaumenge und damit der Bedarf an Deponien und Recycling vermindert werden.
 
Eugen Brühwiler, Dr. sc. techn., dipl. Bauing. ETH/SIA, ist Professor an der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL); eugen.bruehwiler@epfl.ch