Carinthia University of Applied Sciences Science and Energy Labs A-9500 Villach Österreich
Bericht Nr. FHK-AUFBET-01_07/2015
FFG Projekt Nr. 846989
Hochfester Beton als Aufbeton im Bestand und als monolithische Deckschicht im Neubau Aufbetonschichten Teilbericht FHK Forschungsjahr 1
Autoren: FH-Prof. DI Dr. Norbert Randl Dipl.-Ing. Martin Steiner
Villach, Juli 2015
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FFG Projekt Nr. 846989: Hochfester Beton als Aufbeton im Bestand und als monolithische Deckschicht im Neubau
Inhaltsverzeichnis 0. 1. 1.1 1.2
1.3 1.4 1.5
1.6
1.7
1.8
Einleitung......................................................................................................3 Versuchsbericht ...........................................................................................3 Versuchsplanung ..................................................................................................................... 3 Versuchskörper........................................................................................................................ 4 1.2.1 Typ I .....................................................................................................................................4 1.2.2 Typ II ....................................................................................................................................4 Rauigkeiten .............................................................................................................................. 5 Herstellung ............................................................................................................................... 5 Materialeigenschaften.............................................................................................................. 6 1.5.1 Betonrezeptur und Frischbetoneigenschaften .....................................................................6 1.5.2 Festbetoneigenschaften .......................................................................................................7 Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung .......................................................................... 8 1.6.1 Versuchseinrichtung und –aufbau .......................................................................................8 1.6.2 Versuchsdurchführung .........................................................................................................9 Messstellen ............................................................................................................................ 10 1.7.1 Typ I .................................................................................................................................. 10 1.7.2 Typ II ................................................................................................................................. 10 Ergebnisse ............................................................................................................................. 11 1.8.1 „Push-Out Tests“ ............................................................................................................... 11 1.8.2 „Slant-Shear Tests“ ........................................................................................................... 11
2.
Forschungsergebnisse.............................................................................. 13
2.1
Typ I („Push-Out Test“) .......................................................................................................... 13 Bruchlasten und Spannungszustände .............................................................................. 13 Bruchspannungen in Abhängigkeit der Oberflächenrauheit ............................................. 14 Bruchspannungen in Abhängigkeit der Betonfestigkeiten ................................................ 15 Vergleich mit Bemessungswerten nach EC 2 ................................................................... 16 2.2 Typ II („Slant-Shear Test”) ..................................................................................................... 18 2.2.1 Bruchlasten und Spannungszustände .............................................................................. 18 2.2.2 Evaluierung des Haftverbundes und des Reibbeiwertes .................................................. 20 2.2.3 Abhängigkeit von der Oberflächenrauheit......................................................................... 22 2.2.4 Abhängigkeit von der Betonfestigkeit................................................................................ 23 2.3 Zusammenfassende Bemerkung........................................................................................... 23 2.4 FE-Analyse ............................................................................................................................ 24 2.4.1 Typ I („Push-Out Test”) ..................................................................................................... 24 2.4.2 Typ II („Slant-Shear Test“) ................................................................................................ 26 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.4
3. 4. 5. 6. 7. 8.
Zusammenfassung .................................................................................... 28 Literaturverzeichnis ................................................................................... 29 Abbildungsverzeichnis .............................................................................. 30 Tabellenverzeichnis ................................................................................... 31 ANHANG A FOTODOKUMENTATION ....................................................... 32 ANHANG B MESSWERTE .......................................................................... 52
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0. Einleitung Das gegenständige Forschungsvorhaben beschäftigt sich mit der Applikation von höherfesten Aufbetonschichten auf normalfeste Grundplatten. In Kooperation mit der Partnerinstitution Smart Minerals wird der adhäsive Verbund in der Fuge auf unterschiedliche Weise experimentell untersucht. Der vorliegende Bericht befasst sich mit den im Baulabor der FH Kärnten durchgeführten Untersuchungen zur Verbundschubfestigkeit. Ergänzend dazu lag der Fokus bei den Versuchen von Smart Minerals auf der exakten Beschreibung und Erfassung der Oberflächenrauigkeit sowie der Haftzugfestigkeit senkrecht auf die Fuge, auch für den Fall „Nass in Nass“. Im vorliegenden Bericht werden zuerst im Teil 1 die Versuche im Baulabor der FH Kärnten eschrieben und dann im Teil 2 die Bewertungen durchgeführt.
1. Versuchsbericht 1.1
Versuchsplanung
Bei den gewählten Versuchskörpern handelte es sich in um typische Prüfkörperformen, wie sie zur Untersuchung der Schubtragfähigkeit von Fugen verwendet werden [1,2]. Die zweibzw. dreiteiligen, unbewehrten prismatischen Körper zur Feststellung des Reibwiderstandes bzw. der Adhäsion der Schubfuge wurden geometrisch in Anlehnung an [3,4] konzipiert. Die dreiteiligen Prismen (Typ I) wurden durch zwei vertikale Fugen in drei gleichartige Segmente geteilt. Die zweiteiligen Prismen (Typ II) wurden durch die Anordnung einer schrägen Fuge unter einem Winkel α von 65°, 70° bzw. 75° in zwei gleichartige Prüfkörperhälften geteilt. Wie in Bild 1 dargestellt wurden die Prüfkörperabschnitte aus Betonen unterschiedlicher Festigkeitsklassen hergestellt. Die Fugen zwischen Normalbeton und hochfestem Beton wurden mit definierter Oberflächenrauigkeit ausgeführt. Hierzu wurde nach der Betonage des ersten Abschnittes mit Normalbeton („Altbeton“) die Oberfläche der Versuchskörpersegmente an den späteren Kontaktflächen zum hochfesten Beton („Aufbeton“) hochdruckwassergestrahlt. Insgesamt wurden 9 Prismen des Typs I sowie 18 Prismen des Typs II hergestellt. Die Prüfkörper des Typs I wurden an einer hydraulischen Presse (MaTest Modell C85/5) unter symmetrischer Lasteinleitung geprüft. Die Versuchskörper wurden hierzu auf 2 cm breiten Stahlplatten mit Hartgummiaufsätzen gelagert. Die Lasteinleitung in die Prüfkörper des Typs II erfolgte entlang der Prüfkörperachse. Der Prüfzylinder (Form+Test EPZ-D 2000) war auf einem steifen Stahlprüfrahmen befestigt. Das Widerlager der Prüfkörper wurde als nicht querverschiebliches Kalottenlager ausgeführt. An beiden Versuchskörpertypen wurden neben der aufgebrachten Kraft und dem zurückgelegten Maschinenweg die Verschiebungen parallel und normal zu den Fugen gemessen.
Typ I Bild 1
Typ II
Lasteinleitung in die zwei- sowie dreiteiligen Versuchskörper
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1.2
Versuchskörper
1.2.1 Typ I Bei den Versuchskörpern des Typs I handelte es sich um dreiteilige Prismen mit einer Gesamtgrundfläche von 30 cm x 15 cm und einer Höhe h= 30 cm. Die Versuchskörper wurden durch vertikale Fugen in drei gleichartige Segmente geteilt. Die Dimensionen der einzelnen Abschnitte der Versuchskörper betrugen 10 cm x 15 cm und einer Höhe h= 30 cm. Die Betongüte der äußeren Elemente betrug planmäßig C30/37, der mittlere Abschnitt wurde aus hochfestem Beton der Festigkeitsklasse C60/75 hergestellt (Bild 2).
Bild 2
Abmessung der dreiteiligen Versuchskörper des Typs I (Maße in cm)
1.2.2 Typ II Bei den Versuchskörpern des Typs II handelte es sich um zweiteilige Prismen mit einer Grundfläche von 15 cm x 15 cm und einer Höhe h= 70 cm. Durch die Anordnung einer schrägen Fuge wurden die Prismen in zwei gleich große Versuchskörperhälften unterteilt, welche aus einem Normalbeton C30/37 sowie einem hochfesten Beton der Festigkeitsklasse C60/75 hergestellt wurden. Um Abplatzungen an den spitz zulaufenden Enden der Versuchskörperhälften zu vermeiden, wurden die Versuchskörper mit einer reduzierten Schubfugenfläche durch Einlegen von Abschalelementen in den Fugenendbereichen ausgebildet. Die Fugen der Abscherkörper wurden mit 65°, 70° und 75° zur Horizontalen geneigt (Bild 3).
Bild 3
Abmessung der zweiteiligen Versuchskörper des Typs II (Maße in cm)
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1.3
Rauigkeiten
Die Normalbetonabschnitte der Versuchskörper wurden nach 26 Tagen Erhärtung am 30.03.2015 an den späteren Kontaktflächen zum hochfesten Beton durch Hochdruckwasserstrahlen behandelt. Die Versuchskörper wurden mit den kategorisierten Rautiefen Rt < 1,5 mm, 1,5 mm ≤ Rt < 3 mm sowie Rt ≥ 3,0 mm hergestellt. Die Oberflächenrauigkeit wurde im Anschluss an die Oberflächenbehandlung nach dem Sandflächenverfahren [5] gemessen sowie die Fugenfläche ermittelt. Neben der Erfassung der Oberflächenrauigkeit mittels des Sandflächenverfahrens wurden für eine präzisere Bestimmung der Rauigkeit die Schubfugenoberflächen aller Versuchskörper von der Firma Smart Minerals fotografisch erfasst und stereoskopisch vermessen. In Tab. 1 sind die ermittelten Rautiefen (nach Kaufmann) sowie die Fugenflächen dokumentiert, aufgelistet nach Versuchskörper und Fugenneigung. Tab. 1 Übersicht über Rautiefen (nach Versuchskörper FugenRautiefe Abscherkör neigung Rt per [°] [mm] 0.53 65_1 65.0 0.53 65_2 65.0 0.55 65_3 65.0 1.63 65_4 65.0 1.76 65_5 65.0 65_6 65.0 1.63
1.4
Kaufmann) und Fugenflächen der zwei- sowie dreiteiligen Fugenfläche [cm²] 397.8 392.6 369.0 419.8 417.0 399.6
70_1 70_2 70_3 70_4 70_5 70_6
70.0 70.0 70.0 70.0 70.0 70.0
0.51 0.48 0.52 3.98 3.98 4.38
474.2 507.0 513.8 514.5 501.6 513.4
75_1 75_2 75_3 75_4 75_5 75_6
75.0 75.0 75.0 75.0 75.0 75.0
3.01 1.93 3.43 3.56 2.01 1.64
729.0 718.8 715.2 724.1 717.4 718.8
S1 S2 S3
Fugenneigung [°] 90.0 90.0 90.0
Rautiefe Rt [mm] 0.53 0.53 0.53
Fugenfläche [cm²] 450.0 450.0 450.0
S4 S5 S6
90.0 90.0 90.0
3.29 3.14 3.74
450.0 450.0 456.0
S7 S8 S9
90.0 90.0 90.0
1.93 1.51 1.77
450.0 453.0 447.0
Sandwich -elemente
Herstellung
Die Fertigung der Schalungen, die Betonage der Versuchskörper sowie Oberflächenbehandlung der Schubfugen durch Hochdruckwasserstrahlen wurde am Baulabor der Fachhochschule Kärnten durchgeführt. Als Schalung wurden Siebdruckplatten verwendet, welche durch die Firma J.u.A. Frischeis m.b.H., Holzstraße 1 9500 Villach, vorgefertigt und am Baulabor der Fachhochschule Kärnten zusammengesetzt wurden. Die Betonage der Versuchskörper erfolgte in zwei Abschnitten. Zuerst wurden die Normalbetonsegmente („Altbeton“) mit einer Zielfestigkeitsklasse von C30/37 am 04.03.2015 betoniert. Nach 26 Tagen Erhärtung wurden die erforderlichen Rauigkeiten der Schubfugenoberflächen durch Hochdruckwasserstrahlen hergestellt und vermessen.
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Für die Betonage des zweiten Abschnittes mit hochfestem Beton („Aufbeton“, Festigkeitsklasse C60/75) wurden die Versuchskörpersegmente in die dafür vorgesehenen Schalungen wieder eingesetzt. Die Betonage des zweiten Abschnittes mit hochfestem Beton erfolgte am 08.04.2015. Der Beton für beide Abschnitte wurde von der Firma Cemex hergestellt und mit einem Mischwagen angeliefert. Die Rezepturen wurden durch die Firma Smart Minerals gemeinsam mit der Firma Cemex festgelegt. Der Frischbeton wurde vor dem Einbau auf dessen Frischbetoneigenschaften (Ausbreitmaß, Frischbetonrohdichte, Luftgehalt, Temperatur und Wassergehalt) überprüft. Zudem wurden zur begleitenden Prüfung der verwendeten Betone Prüfkörper (Würfel und Prismen) hergestellt und nach ONR 23303: Prüfverfahren Beton (PVB) - Nationale Anwendung der Prüfnormen für Beton und seiner Ausgangsstoffe [6] sowie an der Luft gelagert.
1.5
Materialeigenschaften
1.5.1 Betonrezeptur und Frischbetoneigenschaften Altbeton und Aufbeton wurden durch die Firma Cemex hergestellt und angeliefert. Der Altbeton wurde planmäßig aus einem Beton der Zielfestigkeitsklasse C30/37 hergestellt, der Aufbeton aus einem Beton der Festigkeitsklasse C60/75. Die Zusammensetzungen der Rezepturen sind in Tab. 2 dokumentiert. Tab. 2
Rezepturen des Alt- sowie des Aufbetons
C30/37 B5 GK16 F52
Menge
Rk 0/4 RK 4/8 RK 8/16 CEM II/A-M 42,5N SUPERMIX "C" Gesamtwassergehalt LP L300 READYAIR CX ISOFLOW 771
858.9 132.7 784.6 334.7 58.5 179.2 0.4 2.1
EH
C60/75 HL-B GK16 F45
kg kg kg kg kg kg kg kg
Rk 0/4 RK 4/8 RK 8/16 CEM I 42,5R SR 0 WT27 Readysilica Gesamtwassergehalt CX ISOFLOW 771
Menge
EH
917.8 175.6 721.8 464.0 30.0 175.7 5.4
kg kg kg kg kg kg kg
Vor Einbau des Betons wurde der Frischbeton auf dessen Eigenschaften (Ausbreitmaß, Frischbetonrohdichte, Luftgehalt, Temperatur und Wassergehalt) überprüft. Die Frischbetoneigenschaften sind in Tab. 3 dokumentiert. Tab. 3
Frischbetoneigenschaften des Alt- sowie des Aufbetons
Rezept Bezeichnung C30/37 B5 GK16 F52 C60/75 HL-B GK16 F45
Herstelldatum 04.03.2015 08.04.2015
W/B
Konsisten z
Luftgehal t
Frischbeton -rohdichte
[-] 0.44
[cm] 42
[%] 5.2
[kg/m³] 2338
Betontemperatu r [°C] 17.4
0.31
46
3.8
2392
19.8
Zur Feststellung der Festigkeiten des Betons wurden Prüfkörper gefertigt. Die Prüfkörper wurden nach ONR 23303 [6] sowie an der Luft gelagert. Die Festigkeiten wurden an den Tagen der Prüfungen festgestellt und dokumentiert.
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1.5.2 Festbetoneigenschaften Zur Bestimmung der Festbetoneigenschaften (Würfeldruckfestigkeit fc,cube sowie E-Modul) der verwendeten Betone wurden zeitgleich, neben Betonage der Versuchskörper, Prüfkörper (Würfel und Prismen) hergestellt. Die Lagerung der Prüfkörper erfolgte nach ONR 23303 sowie entsprechend der Bauteillagerung an der Luft. Die Bestimmung der Festbetoneigenschaften erfolgte durch das Baulabor der Fachhochschule Kärnten sowie durch die Firma Smart Minerals. Die Würfeldruckfestigkeiten fc,cube wurden an Würfel mit den Dimensionen 150x150x150 mm, die E-Moduln wurde an Prismen mit den Dimensionen 120x120x360 mm ermittelt. Zur Feststellung der 28-Tage-Festigkeit wurden die Probekörper nach ONR 23303 gelagert. Sowohl Elastizitätsmoduln, als auch Würfeldruckfestigkeiten am Tag der Prüfung wurden an luftgelagerten Prüfkörpern bestimmt. Die Lagerung ist wie folgt kategorisiert: 1 2
Lagerung nach ONR 23303 Bauteillagerung (Lagerung in der Luft)
Tab. 4 Festbetoneigenschaften der verwendeten Betone festgestellt durch die Fachhochschule Kärnten Alter St.-Abw. Anzahl der Mittelwert Festbetoneigenschaften Lagerung Proben [t] [Mpa] [Mpa] 1 61,50 28* 3 0,79 f 2 c,cube 77 5 55,68 1,97 C30/37 (Zielfest.) 2 84 3 56,87 2,92 E-Modul
C60/75
fc,cube E-Modul
2
78
3
30319
1828
1
28*
3
82,60
1,87
2
42
5
76,62
1,91
2
49
3
77,77
2,05
2
43
3
31518
703
* 28-Tage-Festigkeit nach ONR 23303 Tab. 5
Festbetoneigenschaften der verwendeten Betone festgestellt durch Smart Minerals
C30/37 C60/75
Alter
Mittelwert
St.abw.
[Mpa]
[Mpa]
[t]
Anzahl der Proben
fc,cube
1
28
3
61,20
0,70
E-Modul
1
28
1
26400
-
fc,cube
1
28
3
87,93
1,90
E-Modul
1
28
1
33200
-
Festbetoneigenschaften
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Lagerung
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1.6
Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung 1.6.1
Versuchseinrichtung und –aufbau
Typ I („Push-Out“ Test)
Der Versuchsaufbau und die Geometrie der dreiteiligen Versuchskörper des Typs I erfolgte in Anlehnung an gleichartige Versuche von Reinecke [3]. Die Last wurde über einen hydraulischen Presskolben (MaTest Modell C85/5) in die Altbetonsegmente des Versuchskörpers eingeleitet. Als Auflager wurden 2 cm breite Stahlplatten verwendet, wodurch sich eine geringe Exzentrizität von e= 10 mm ergab. Durch die Exzentrizität der Auflager trat ein Schnittmoment in der Fuge auf, welches jedoch im Vergleich zu den wirkenden Schubkräften gering war [3]. Unebenheiten im Beton an der Lasteinleitungsseite wurden durch Anordnung von Hartgummieinlagen zwischen Prüfkörper und Lasteinleitungsplatte ausgeglichen (Bild 5).
Bild 4
Versuchsaufbau des „Push-Out-Test“
Bild 5
Auflager der Versuchskörper des Typs I
Typ II („Slant-Shear Test”)
Mit den zweiteiligen Prismen (Abscherkörper) wurde neben dem Reibbeiwert die Auswirkung einer Fugennormalspannung auf die Rissverzahnung untersucht. Durch Aufbringen einer Kraft entlang der Längsachse der Versuchskörper werden Normal- und Schubspannung an der Fuge erzeugt. Das Verhältnis der Spannungen zueinander ergibt sich in Abhängigkeit des Winkels α der Fuge. Die Lasteinleitung erfolgte durch einen Prüfzylinder mit Kalotte (Form+Test EPZ-D 2000) in die Altbetonprismenhälfte des Versuchskörpers. Die aufgebrachte Kraft wurde durch eine Kraftmessdose ermittelt. Um ein Kippen oder seitliches Ausweichen der oberen Versuchskörperhälfte zu verhindern, wurde zwischen Versuchskörper und Prüfzylinder ein Gleitlager aus Stahlplatten mit Gleitmittel angeordnet. Das Widerlager an der unteren Seite des Versuchsaufbaus wurde als nicht querverschiebliches Kalottenlager ausgeführt (Bild 6). Aufgrund des zu erwartenden spröden Bruchverhaltens wurde der Versuchskörper mit Holzplatten eingehaust (Bild 6). Carinthia University of Applied Sciences
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Bild 6
Versuchsaufbau der zweiteiligen Prismen
1.6.2 Versuchsdurchführung Die „Slant-Shear-Tests“ wurden im Zeitraum vom 19.05.2015 bis zum 21.05.2015 bei einer durchschnittlichen Würfeldruckfestigkeit (ermittelt an luftgelagerten Würfeln am 20.05.2015) von 55,68 MPa (NSC) bzw. 76,62 MPa (HSC) durchgeführt. Die Lasteinleitung in den Versuchskörper erfolgte bis zum Bruch weggesteuert bei 0,5 mm/min. Das Aufzeichnungsintervall der Messdaten betrug 5 Hz. Die „Push-Out-Tests“ wurden im Zeitraum vom 22.05.2015 bis zum 27.05.2015 bei einer durchschnittlichen Würfeldruckfestigkeit (ermittelt an luftgelagerten Würfeln am 27.05.2015) von 56,87 MPa (NSC) bzw. 77,77 MPa (HSC) durchgeführt. Die Lasteinleitung in den Versuchskörper erfolgte bis zum Versagen weggesteuert bei 0,5 mm/min. Das Aufzeichnungsintervall der Messdaten betrug 5 Hz.
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1.7
Messstellen
1.7.1 Typ I Am Versuchskörper des Typs I wurden insgesamt 4 Verschiebungsmessungen entlang der Fugen durchgeführt. Je Fuge wurden die Rissuferverschiebung (Fugenparallelverschiebung) in der oberen Hälfte des Versuchskörpers sowie die Fugenöffnung in der unteren Hälfte des Versuchskörpers ermittelt. Hierzu wurden induktive Wegaufnehmer entlang dreier Achsen angeordnet (Bild 7).
Bild 7
Anordnung der Messeinrichtung am Versuchskörper des Typs I
1.7.2 Typ II An den Versuchskörpern des Typs II wurden Messungen zur Ermittlung der Rissuferverschiebung (Fugenparallelverschiebung) und der Fugenöffnung (normal zur Fuge) angeordnet. Hierzu wurden induktive Wegaufnehmer (maximaler Messbereich 10 mm) verwendet. Die Messungen wurden gekreuzt um die Fugenlängenhalbierende angeordnet. Der Abstand der Messpunkte zur Fugenhalbierenden betrug hierbei 2,5 cm entlang der Messachsen.
Bild 8
Anordnung der Messstellen am Versuchskörper des Typs II
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1.8
Ergebnisse
1.8.1 „Push-Out Tests“ In Tab. 6 sind die Ergebnisse der „Push-Out Tests“ der Versuchskörper des Typs I aufgelistet nach Versuchskörpernummer. Da 2 Fugen vorhanden sind und der Bruch jeweils nur auf einer Seite beobachtet wurde, sind in der Tabelle nur die gemessenen Verschiebungen entlang der gebrochenen Fuge gelistet. Die angegebenen Verschiebungen (Fugenparallelverschiebung sowie Fugenöffnung) sind die bei Erreichen der maximalen Tragfähigkeit ermittelten Werte. Zudem sind in der Tabelle die zu den Werten zugehörigen Messstellen dokumentiert, welche bei allen Versuchen gemäß Bild 9 angeordnet waren.
Bild 9
Anordnung der Messstellen der „Push-Out Tests“
Tab. 6
Versuchsergebnisse der „Push-Out Tests“ (Versuchskörper Typ I) maximale FugenparallelFugenöffnung Nr. Tragfähigkeit verschiebung Messstelle Messstelle [kN] [mm] [mm] 89,41 0,008 FP1 -0,005 FQ1 S1 83,26 0,021 FP1 0,079 FQ1 S2 103,15 0,004 FP1 0,028 FQ1 S3 297,57 -0,020 FP2 -0,034 FQ2 S4 306,39 -0,014 FP1 0,002 FQ1 S5 311,72 -0,014 FP2 0,155 FQ2 S6 298,60 -0,009 FP2 0,095 FQ2 S7 268,86 0,001 FP2 0,038 FQ2 S8 S9 288,14 0,044 FP2 0,006 FQ2
Mit dem Aufbringen der Prüfkraft wurde in der Regel zunächst ein negativer Wert der Fugenparallelverschiebung verzeichnet, bedingt durch die Zusammenstauchung des Prüfkörpers unter der Druckkraft. Das Versagen erfolgte dann stets schlagartig. 1.8.2 „Slant-Shear Tests“ Tab. 7 bis Tab. 9 zeigen die Ergebnisse der „Slant-Shear Tests“ des Versuchskörpers des Typs II, aufgelistet nach den Fugenwinkeln und Versuchskörperbezeichnungen. Neben der beobachteten Versagensart sind die maximale Tragfähigkeit sowie die an den Messstellen ermittelten Verschiebungen dokumentiert. Die Versagensarten wurden wie folgt kategorisiert: A B C D
Reines Fugenversagen Teilweises Fugenversagen (Teilweise Altbetonreste entlang der Bruchfläche) Teilweises Druckversagen und Fugenversagen im Altbeton Reines Druckversagen im Altbeton
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Tab. 7 Versuchsergebnisse der „Slant-Shear Tests“ (Versuchskörper Typ II) der Versuchskörper mit einer Fugenneigung von 65° Nr. 65_1 65_2 65_3 65_4 65_5 65_6
Versagensart B B A C C C
Fugenparallelmaximale Tragfähigkeit verschiebung [kN] 742,36 730,04 667,79 789,42 782,08 769,99
[mm] 0,51 -0,06 -0,04 -0,12 -0,06 -0,09
Fugenöffnung [mm] 0,55 -0,01 0,00 0,10 0,00 0,02
Tab. 8 Versuchsergebnisse der „Slant-Shear Tests“ (Versuchskörper Typ II) der Versuchskörper mit einer Fugenneigung von 70° Nr. 70_1 70_2 70_3 70_4 70_5 70_6
Versagensart A B B C C C
maximale FugenparallelTragfähigkeit verschiebung [kN] 703,35 621,86 752,47 882,45 694,93 775,75
[mm] -0,05 0,00 -0,03 -0,06 0,04 -0,07
Fugenöffnung [mm] 0,00 0,12 0,02 0,01 0,10 0,00
Tab. 9 Versuchsergebnisse der „Slant-Shear Tests“ (Versuchskörper Typ II) der Versuchskörper mit einer Fugenneigung von 75° Nr. 75_1 75_2 75_3 75_4 75_5 75_6
Versagensart B B B D B B
maximale FugenparallelTragfähigkeit verschiebung [kN] 942,66 852,10 936,81 878,12 945,97 815,85
[mm] -0,09 -0,16 -0,11 -0,07 -0,15 -0,10
Fugenöffnung [mm] 0,04 0,24 0,25 0,01 0,02 0,07
Die in der Regel negative Fugenparallelverschiebung ergibt sich aus der Stauchung des Versuchskörpers in Folge der aufgebrachten Druckkraft. Gleichzeitig spiegelt sich wider, dass das Versagen schlagartig war und faktisch keine echte Fugenparallelverschiebung zum Zeitpunkt des Bruchs feststellbar war. Bei dem Versuchskörper 65_1 dürften gewisse Verzahnungseffekte zu einer Fugenparallelverschiebung bis zum Erreichen des Lastmaximums geführt haben.
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2.
Forschungsergebnisse
Das folgende Kapitel stellt die Forschungsergebnisse der zu den im Teil 1 beschriebenen 2 Prüfserien Typ I („Push Out“) und Typ II („Slant-Shear“) dar und analysiert diese. Als Vergleichswerte werden zum Teil Versuchsergebnisse aus gut dokumentierten Arbeiten der einschlägigen Fachliteratur herangezogen und mit den vorliegenden Ergebnissen verglichen. Wichtig dabei ist, nur Versuche mit möglichst vergleichbarem Versuchsaufbau und ähnlichen Materialkennwerten heranzuziehen. In weiterer Folge werden die Versuchskörper auch in einem FE-Modell nachgebildet und die experimentellen mit den numerischen Ergebnissen verglichen.
2.1
Typ I („Push-Out Test“)
2.1.1 Bruchlasten und Spannungszustände Bei den untersuchten Prüfkörpern kam es mit Versagen der Schubfuge zu einem Überwinden der adhäsiven Haftschubfestigkeit. Aufgrund der fugenparallelen Lasteinwirkung treten keine resultierenden Normalkräfte auf die Fuge auf, somit kann von reiner Haftverbundtragwirkung gesprochen werden. Das geringe, sich aus den leicht versetzten Lasteinleitungsplatten oben/unten ergebende innere Moment wird im Zuge der numerischen Betrachtungen bewertet. Das Versagen der Verbundfuge war dementsprechend schlagartig. Die planmäßige Abscherfläche betrug 15 x 30 cm, d.h. 450 cm² auf jeder Seite. Tab. 10 Bruchlasten und Bruchspannungen Typ I Tatsächliche σ [N/mm²] Bruchlast F [kN]
τjad [N/mm²]
Nr.
Rautiefe [mm]
S1
0.53
88.59
1.97
0.98
S2
0.53
82.44
1.83
0.92
S3
0.53
102.12
2.27
1.13
S4
3.29
296.75
6.59
3.30
S5
3.14
305.56
6.79
3.40
S6
3.74
318.20
7.07
3.49
S7
1.93
297.77
6.62
3.31
S8
1.51
268.03
5.96
2.96
S9
1.77
287.31
6.38
3.21
Die Oberflächenrauheit Rt, ermittelt nach [5], wurde in den Versuchen in einem Bereich von ca. 0.5 mm bis 4 mm untersucht. Dies stellt einen praxisnahen Ausschnitt der möglichen Bandbreite an Fugenrauheiten dar. Auffallend bei dieser Versuchsserie war der deutliche Anstieg der Bruchlasten von glatter Oberfläche (Rt < 1,5 mm) zur rauen Oberfläche (1,5 mm ≤ Rt < 3 mm). Dieser markante Trend ist zwischen rauer und verzahnter Oberfläche (Rt > 3,0 mm) nicht mehr beobachtbar. Hier steigt die Bruchlast nur mehr gering gegenüber den Prüfkörpern mit rauer Fuge an, wie in Bild 10 ersichtlich. Grundsätzlich sind die Versuchsergebnisse der einzelnen Reihen sehr konsistent und weisen keine großen Streuungen auf.
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350
300
Bruchlasten [kN]
250
200
150
100
50
0 "Glatt"
"Rau"
"Verzahnt"
Bild 10 Bruchlasten der Versuchskörper Typ I
2.1.2 Bruchspannungen in Abhängigkeit der Oberflächenrauheit Wie in Bild 11 ersichtlich, besitzt die Oberflächenrauheit einen Einfluss auf die Größe des Haftverbundes, allerdings nicht proportional zur Rautiefe. Deutlich ist die Zunahme bis zu einer Rauheit von 1.5 mm. Größere Rauheiten erzielen nur mehr eine geringe Steigerung der Haftverbundfestigkeit. In Bild 11 sind die Bruchspannungen, aufgetragen über die zugehörige Rautiefe, im Vergleich mit den Ergebnissen von Reinecke [3] dargestellt. Hierbei werden nur Ergebnisse aus [3] im höher- und hochfesten Bereich herangezogen („höherfest“: „hochfest“: fcm,cube ≥ 70N/mm²). Versuche mit derartigen 50 ≤ fcm,cube < 70N/mm², Betonfestigkeiten liegen aus [3] nur für glatte Fugen vor. 4.5 4.0 3.5
τad[N/mm²]
3.0 2.5
Projekt Aufbeton, hochfester Beton Reinecke, höherfester NB
2.0
Reinecke, hochfester Beton 1.5 1.0 0.5 0.0 0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
mittlere Rauhtiefe [mm]
Bild 11 Bruchspannungen in Abhängigkeit der Fugenflächenrauheit
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2.1.3 Bruchspannungen in Abhängigkeit der Betonfestigkeiten In Bild 12 bis Bild 14 sind die Ergebnisse der Scherversuche (Typ I) aus dem gegenständlichen Projekt mit Versuchen von Reinecke [3], Daschner [7,8], Randl [9], Zilch, Müller [10] und Beushausen [11], aufgetragen über die Neubetondruckfestigkeit (Bauteillagerung), dargestellt. Wie in Bild 12 bis Bild 14 ersichtlich, ist die Anzahl der aus der Literatur verfügbaren Versuche mit hochfesten Aufbetonen eher gering. 5.0 4.5
Schubspannung [N/mm²]
4.0 3.5 3.0 Projekt Aufbeton 2.5
Zilch, Müller Reinecke
2.0
Daschner Beushausen
1.5 1.0 0.5 0.0 0.0
20.0
40.0
60.0
80.0
100.0
120.0
Neubetondruckfestigkeit fcm,neu [N/mm²]
Bruchspannung des Haftverbundes in Abhängigkeit der Betondruckfestigkeit (Rt < 1.5mm)
Bild 12 4.0
Schubspannung [N/mm²]
3.5
3.0
2.5 Projekt Aufbeton 2.0
Zilch, Müller Randl Daschner
1.5
1.0
0.5
0.0 0.0
20.0
40.0
60.0
80.0
100.0
120.0
Neubetondruckfestigkeit fcm,neu [N/mm²]
Bild 13
Bruchspannung des Haftverbundes in Abhängigkeit der Betondruckfestigkeit (Rt ≥ 1.5mm)
5.0 4.5
Schubspannung [N/mm²]
4.0 3.5 3.0 Projekt Aufbeton
2.5
Daschner 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 0.0
10.0
20.0
30.0
40.0
50.0
60.0
70.0
80.0
90.0
Neubetondruckfestigkeit fcm,neu [N/mm²]
Bild 14
Bruchspannung des Haftverbundes in Abhängigkeit der Betondruckfestigkeit (Rt ≥ 3mm)
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2.1.4 Vergleich mit Bemessungswerten nach EC 2 Um das Potential in Bezug auf die Bemessungswerte der Verbundschubtragfähigkeit zu identifizieren, werden die Ergebnisse mit den Bemessungswerten nach EC 2 [12] für die jeweiligen Rauheitskategorien verglichen. Um den Einfluss der Rauheit besser darzustellen und die Bewertung weiter abzusichern, werden zu den eigenen Versuchsergebnissen Resultate experimenteller Untersuchungen von Reinecke [3], Daschner [7,8], Randl [9], Zilch, Müller [10] und Beushausen [11] hinzugezogen und verglichen. Die Auswertung wurde in Anlehnung an den DIBt Bericht [1] durchgeführt. Zur Beurteilung wird für jeden Versuch das Verhältnis zwischen der experimentell ermittelten Bruchschubspannung und dem Bemessungswert der aufnehmbaren Schubspannung berechnet (sich ergebende „Sicherheit“ = τexp/τRdi). Die Auswertung erfolgt getrennt für die einzelnen Oberflächenkategorien [5].Die Bemessungswerte werden entsprechend EC 2 [12] nach folgender Formel ermittelt:
τRdi=c*fctd Bemessungswert des Schubkraftwiderstandes in der Fuge Beiwert der von der Rauigkeit der Fuge abhängig ist Die Werte c betragen für glatte Fugen (Rt < 1.5 mm) 0.2, für raue Fugen (Rt ≥ 1.5 mm) 0.4 und für verzahnte Fugen (Rt ≥ 3 mm) 0.5. Die Kategorisierung der Rautiefen wurde in Anlehnung an MC 2010 [13] und ÖNORM B1992-1-1 [14] durchgeführt. Bemessungswert der Betonzugfestigkeit (fctd = fctk,0,05/γc), (fctk0,05=0.3*fcm,cyl,neu2/3)
τRdi c
fctd
Die jeweiligen Bemessungswerte fcm,cyl,neu (fcm,cyl,neu = fcm,cube*50/60) wurden für die eigenen Versuche auf Basis der Druckfestigkeit von fcm,cube = 77 N/mm² (Bauteillagerung) ermittelt und beziehen sich zur besseren direkten Bewertung, abweichend vom Vorgehen in der praktischen Bemessung, demnach immer auf die Neubetondruckfestigkeit.
τexp/τRdi [-]
Bild 15 stellt die Auswertung für glatte Fugen dar. Die Auswertungen der Versuche von Reinecke und Beushausen zeigen sehr unterschiedliche Ergebnisse bzw. große Streuungen. Einige Versuchsergebnisse, sowohl nach Reinecke [3] als auch die eigenen, liegen relativ nahe an der Sicherheitsgrenze (γerf ≥ 1,5), und eine Anhebung des Bemessungswertes für glatte Fugen scheint daher nicht gerechtfertigt. 14.0 13.5 13.0 12.5 12.0 11.5 11.0 10.5 10.0 9.5 9.0 8.5 8.0 7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0
Projekt Aufbeton Reinecke Beushausen 1.5
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
fcm,cyl,neu [N/mm²]
Bild 15 Quotient aus experimentell ermittelter Bruchspannung und dem Bemessungswert der aufnehmbaren Schubspannung lt. EC 2 bei glatter Fuge Rt < 1.5 mm
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Bild 16 bewertet die Versuche von Daschner [7,8], Randl [9] und Zilch, Müller [10] sowie jene des gegenständlichen Projekts für raue Fugen. Der Vergleich dieser Ergebnisse ist nur bedingt möglich: Einerseits liegen die Zylinderdruckfestigkeiten der Versuche aus der Literatur mit einer Ausnahme nicht im hochfesten Bereich der Versuche, andererseits wurden nicht der gleiche Versuchsaufbau bzw. dieselben Versuchskörpertypen gewählt. Dadurch liegen auch die eigenen bezogenen Versuchsergebnisse („Projekt Aufbeton“) auf einem vergleichsweise tieferen Niveau (siehe dazu auch nachfolgende numerische Analyse). Der Vergleich mit den Bemessungswerten liefert jedoch insgesamt, wie in Bild 16 ersichtlich, hohe Sicherheiten. Ein Versuchsergebnis von Zilch, Müller [10] liegt etwas tiefer. In diesem Zusammenhang könnte eine Anhebung der c-Werte angedacht werden, jedoch müssten noch weitere Versuchsserien durchgeführt werden, die diesen Trend bestätigen und weiter absichern. 6.5 6.0 5.5 5.0
τexp/τRdi [-]
4.5 4.0 Projekt Aufbeton
3.5
Zilch, Müller 3.0
Randl Daschner
2.5
1.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
fcm,cyl,neu [N/mm²]
Bild 16 Quotient aus experimentell ermittelter Bruchspannung und dem Bemessungswert der aufnehmbaren Schubspannung lt. EC2 bei rauer Fuge Rt ≥ 1.5 mm
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Auch zur Bewertung der eigenen Versuchsreihe mit sehr rauer bzw. verzahnter Fuge wurden die Ergebnisse der Literatur (nach Daschner [7,8]) mit vergleichbaren Rauigkeitskategorien miteingebunden (Bild 17). Allerdings ist, wie oben erwähnt, der Vergleich nur eingeschränkt möglich, da unterschiedliche Versuchskörper zugrundeliegen. Bei diesen Versuchsreihen ergeben sich insgesamt vergleichsweise hohe Sicherheiten, allerdings nicht auf dem Niveau der rauen Fugen. Die eigenen Versuche mit höherfestem Neubeton zeigen gegenüber den Versuchen mit rauer Fuge keine bzw. nur geringe Tragfähigkeitssteigerungen. 9.5 9.0 8.5 8.0 7.5 7.0 6.5
τexp/τRdi [-]
6.0 5.5 5.0
Projekt Aufbeton
4.5
Daschner
4.0
1.5
3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
fcm,cyl,neu [N/mm²]
Bild 17 Quotient aus experimentell ermittelter Bruchspannung und dem Bemessungswert der aufnehmbaren Schubspannung lt. EC 2 bei rauer Fuge Rt ≥ 3mm
2.2 Typ II („Slant-Shear Test”) 2.2.1 Bruchlasten und Spannungszustände Gleich wie beim Typ I war das Versagen schlagartig. Jedoch konnten beim Typ II verschiedene Versagensarten festgestellt werden. Der Großteil der Versuchskörper versagte durch Abgleiten entlang der Verbundfuge, wobei die Bruchfläche bei manchen Versuchen teilweise auch im Altbeton verlief. In einem Fall kam es vor dem Versagen der Verbundfuge zu einem Druckversagen im Altbeton. Die Berechnungen der auf den Prismenquerschnitt bezogenen Normalspannung σ, der Fugennormalspannung σj und der Fugenschubspannung τj erfolgten über die aufgezeichneten exakten Abmessungen der Kleinkörper (Breite bj, Länge l0), die Bruchlast Fmax und den Fugenwinkel β (aus der Horizontalen gemessen).
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Tab. 11 Bruchlasten und Bruchspannungen Typ II aufgebrachte σ σj τj τjad Bruchlast F [N/mm²] [N/mm²] [N/mm²] [N/mm²] [kN] 742.35 32.99 7.89 16.91 8.24
Fugenneigung Rautiefe Aufbeton [°] [mm]
Nr. 65_1
65
0.53
HSC
65_2
65
0.53
HSC
730.03
32.45
7.86
16.85
8.21
65_3
65
0.55
HSC
666.97
29.64
7.64
16.38
7.98
65_4
65
1.63
HSC
789.41
35.08
7.95
17.04
6.71
65_5
65
1.76
HSC
782.07
34.76
7.93
17
6.69
65_6
65
1.63
HSC
769.95
34.22
8.14
17.46
6.88
70_1
70
0.51
HSC
703.34
31.26
5.07
13.94
8.36
70_2
70
0.48
HSC
621.85
27.64
4.19
11.53
6.91
70_3
70
0.52
HSC
752.32
33.44
5.01
13.76
8.25
70_4
70
3.98
HSC
882.44
39.22
5.87
16.12
7.32
70_5
70
3.98
HSC
694.93
30.89
4.74
13.02
5.91
70_6
70
4.38
HSC
775.74
34.48
5.17
14.2
6.45
75_1
75
3.01
HSC
942.66
41.9
3.35
12.49
7.47
75_2
75
1.93
HSC
852.1
37.87
3.07
11.45
7.46
75_3
75
3.43
HSC
936.8
41.64
3.39
12.65
7.57
75_4*
75
3.56
HSC
878.12
39.03
3.14
11.71
7.01
75_5
75
2.01
HSC
945.96
42.04
3.41
12.74
8.3
75_6
75
1.64
HSC
815.85
36.26
2.94
10.96
7.14
Die erreichten Bruchlasten und Bruchspannungen sind in Tab. 11 ersichtlich. Der Probekörper mit der Nr. 75_4* wird in der weiteren Bewertung nicht berücksichtigt, da es in diesem Fall zu einem Druckversagen des Altbetons, und nicht zu einem Fugenversagen kam (wobei das Ergebnis dennoch im Sinne eines knapp unter dem erzielbaren Wert liegenden Resultats durchaus repräsentativ ist). Die Ergebnisse der Versuchsreihe sind sehr konsistent, und es werden keine Ausreißer nach oben oder unten verzeichnet. Zur besseren Visualisierung der Versuchsergebnisse der Kleinkörperversuche wurde nachfolgendes Bild 18 erstellt. Kleinkörper mit identischer Fugenneigung wurden in derselben Farbe dargestellt. 1000
"rau"
800
"verzahnt"
"verzahnt"
900
"glatt"
"rau"
"glatt"
Bruchlast [kN]
700 600 500 400 300 200 100 0 Fuge 65 °
Bild 18
Fuge 70°
Fuge 75°
Bruchlasten Typ II 65°, 70°, 75°
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2.2.2 Evaluierung des Haftverbundes und des Reibbeiwertes Um die tatsächlichen Werte des adhäsiven Verbundes und mittlere Reibbeiwerte rückzurechnen, wurden die Schub- und Normalspannungen entlang der Fugen errechnet. Auf Basis der Versagenshypothese nach Mohr-Coulomb können dann über Trendlinien aus den Versuchen, wie in Bild 19 bis Bild 21 dargestellt, die adhäsiven Verbundschubfestigkeiten und Reibbeiwerte µ abgeleitet werden. In der gegenständlichen Bewertung (Bild 19 bis Bild 21) wurden somit zum einen die sich aus den Versuchsergebnissen direkt ergebenden Trendlinien eingeführt. Da die Anzahl der Versuchsergebnisse nicht ausreichend ist, um die Abhängigkeit der beiden Parameter (Haftverbund und Reibbeiwert) statistisch ausreichend abzusichern, sind gewisse natürliche Schwankungen dieser beiden Werte im Vergleich der Bilder 19-21 zu erkennen. Daher wurde alternativ auch folgende Methode angewandt: Relativ gut abgesicherte Reibbeiwerte für die verschiedenen Fugenrauigkeiten können [9,15] entnommen werden. Werden diese Reibbeiwerte für die jeweiligen Rauigkeitskategorie als „bekannt“ angenommen und für die jeweilige Trendlinie festgehalten, so ergibt sich ein konsistentes Bild der Haftschubfestigkeiten. Insgesamt differieren die Ergebnisse beider Auswertungen nicht allzu stark voneinander.
20.0
18.0
Fugenschubspannung [N/mm²]
16.0
14.0
Trendlinie HDW C50/60) verspricht jedenfalls höhere Dauerhaftigkeiten des Verbundes bzw. der Gesamtkonstruktion. Dies gilt es in diesem Forschungsvorhaben unter anderem zu verifizieren und das Bemessungskonzept, speziell betreffend den Term mit dem adhäsiven Verbund im ungerissenen Zustand, zu erweitern. Die Größe dieses Bemessungsterms beeinflusst entscheidend die Notwendigkeit der Anordnung von Bewehrung bzw. Verbindern im Bereich der Verbundfuge. Hierdurch ist erst bei einer höheren Entwurfsschubkraft Verbundbewehrung nötig und dies lässt somit auch aus wirtschaftlicher Sicht auf entsprechendes Einsparungspotenzial schließen. Im Eurocode 2-Konzept werden unterschiedlich steife Mechanismen überlagert, welche in der Realität so gemeinsam nicht wirken können und sich in Abhängigkeit des jeweiligen Verschiebungszustandes darüber hinaus gegenseitig beeinflussen. Ziel ist es daher auch, das Bemessungskonzept so anzupassen, dass höherfeste Aufbetonschichten wirtschaftlich geplant und dimensioniert werden können. Auch im Neubau können durch robuste, dauerhafte Deckschichten und gegebenenfalls den Entfall der Abdichtung Arbeitsgänge und somit Bauzeit eingespart werden. Somit ist es ein technisches Ziel, „nass in nass“-Schichten im Arbeitsablauf mit entsprechender Zeitfolgeund Materialwahl so zu konzipieren, dass diese den bestmöglichen Verbund aufweisen und nahezu rissefrei ausgeführt werden können. Der richtige Zeitpunkt des Betonierens der Draufschicht, sowie die Beschaffenheit der ersten Schicht sind zu untersuchen. Neben der Untersuchung des lokalen und flächigen Verbundes nachträglich standardmäßig aufgebrachter Aufbetonschichten soll der mögliche Einfluss von Erschütterungsbeanspruchungen aus halbseitiger Verkehrsführung (siehe Beispiel in Abbildung 1) während des Betoniervorgangs und der Erstarrungs- und Erhärtungsphase experimentell identifiziert werden. Hintergrund für die Fragestellung der Auswirkung von Vibrationen bei Aufbringen des Aufbetons ist, dass in vielen Fällen ein Teil des Tragwerks zur Sanierung gesperrt ist, während der gesamte Verkehr auf der anderen Seite abgewickelt wird. Durch die Bestimmung lokaler Verbundfestigkeiten am Bauteil selbst kann der Einfluss solcher Erschütterungsbeanspruchungen tatsächlich festgestellt werden und erforderliche Einschränkungen bzw. Anforderungen können zukünftig in die Planung einfließen.
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2.2
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Stand der Technik
Der Anstieg in den Verkehrslasten sowie die im Laufe der Jahre überarbeiteten Bemessungsnormen führen dazu, dass im Zuge einer statisch-konstruktiven Nachrechnung entsprechend den Regelungen des Eurocode 2, Straßenbrücken, welche nach dem Lastmodell der ÖNORM B 4002 und Eisenbahnbrücken, welche nach dem Lastmodell der ÖNORM B 4003 berechnet wurden, häufig den technischen Standard nicht mehr erfüllen und instandgesetzt bzw. verstärkt werden müssen. Eine wirtschaftliche Methode, um keine Niveletteänderung vornehmen zu müssen, ist die Instandsetzung mit geringen Gesamthöhen mittels Aufbetonschichten. Dies findet vor allem bei eingeschränkten Lichtraumprofilen bei Eisenbahnbrücken sowie beengter Anpassung des Fahrbahnaufbaus im Widerlagerbereich bei Straßenbrücken Anwendung. In der Vergangenheit wurde diese Instandsetzungsmethode mit Aufbringung der Verstärkungsschichte im Verbund mit relativ großer Dübelanzahl und meist weiterem Fahrbahnaufbau mit Abdichtung ausgeführt. Eine Bestandsaufnahme von Betonbrücken ohne Abdichtung und Fahrbahnbelag in Österreich zeigt, dass vereinzelt Brücken vorwiegend im untergeordneten Straßennetz mit direkt befahrbarem Fahrbahnbeton ohne Abdichtung errichtet wurden. Der Neubau oder die Verstärkung erfolgte in der Regel mit konventionellem Bewehrungsstahl, wobei die Gefahr der Korrosion der Bewehrung durch Begrenzung der Rissbreiten oder durch Verwendung von ultrahochfestem Beton verhindert werden soll. Die erforderlichen Verbundfugen in der Konstruktion wurden mit Dübeln oder Bewehrungsstahl verstärkt [2.2-1]. Abbildung 1 zeigt die Anwendung einer Instandsetzung mit direkt befahrbarem Aufbeton aus Hochleistungsbeton mit einer Vielzahl von Dübeln für die Erzielung der erforderlichen Verbundfestigkeit aus dem Jahre 2009. Im rechten Bild ist eine nicht optimale Oberfläche mit Rissen zu sehen, welche auf mögliches Verbesserungspotenzial schließen lässt.
Abbildung 1: Aufbetonverstärkung mit Fugenbewehrung, Ybbsbrücke bei Krenngraben, Quelle: NÖ Landesregierung. In der Schweiz wurden jüngst Beispiele von Brücken mit dünnen, ultrahochfesten Aufbetonschichten umgesetzt, jedoch zum Teil nicht ohne weiteren Aufbau mit Abdichtung. 2.2.1
Anforderungen an Altbetonschichten
Beim Aufbringen einer Betonschichte im Verbund mit dem Untergrund hat dieser eine entsprechende Rauheit aufzuweisen. Dabei werden oft nur lapidare Anforderungen, wie „der
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Beton hat entsprechend rau zu sein“ oder „die oberste Feinmörtelschicht ist zu entfernen“, gestellt. Für spezielle Anforderungen bei Instandsetzungsmaßnahmen, wie das Aufbringen von Verstärkungsbetonschichten oder die Applikation von Abdichtungssystemen auf Brücken werden generell Anforderungen an die Rautiefe der Altbetonoberfläche gestellt. Der Abtrag von Beton bzw. die Herstellung einer für das Aufbringen einer Neubetonschicht geeigneten Oberfläche erfolgt derzeit in der Regel durch Strahlen (mit festem Strahlgut oder Hochdruckwasserstrahlen) bzw. vorhergehendem Fräsen. Speziell die Oberflächenbehandlung durch Hochdruckwasserstrahlen (HDWS) hat so lange zu erfolgen, bis die geforderten Werte für Rauheit und Abreißfestigkeit erfüllt werden. Hochdruckwasserstrahlen erfolgt nach dem heutigen Stand mit einem Pumpendruck von 1200 – 2500 bar. Dabei wird eine Wassermenge von etwa 25 – 160 l/min eingesetzt. Tiefenabtrag bzw. Abtrag von nicht tragfähigen Schichten wird in der Regel mit 1200 bar und einer höheren Literleistung durchgeführt. Hier werden Schichten von bis zu ca. 8 cm je Arbeitsgang abgetragen. Zur Sicherstellung einer geforderten Rautiefe ohne Tiefenabtrag wird mit einem Pumpendruck von etwa 2500 bar bei einem Wasserverbrauch von etwa 25 – 48 l/min gearbeitet. Dadurch wird in einem Arbeitsgang sowohl Korn als auch Zementstein aufgeraut, damit die gestellten Anforderungen erfüllt werden können. Die Prüfung der Rauheit erfolgt für aufgeraute Betonoberflächen in der Regel mit dem Sandflächenverfahren gemäß ÖNORM EN 1766 [2.2-2]. Dabei wird eine definierte Menge an Normensand auf eine Oberfläche aufgebracht und mit einer Holzscheibe mit Hartgummiauflage verteilt. Aufgrund des Durchmessers des Kreises kann das Volumen unter den höchsten Profilspitzen ermittelt und damit indirekt auf die Rauheit der Oberfläche geschlossen werden. Bei senkrechten oder waagrechten Flächen über Kopf wird anstatt des Normensandes eine feinkörnige Mörtelmasse verwendet und diese ebenfalls kreisförmig an der Oberfläche verrieben. Ein weiteres Kriterium für das Aufbringen einer Neubetonschicht stellt die Prüfung der Abreißfestigkeit gemäß ONR 23303 [2.2-3] dar. Mit Hilfe dieser Prüfmethode wird die Qualität der oberflächennahen Schicht des Untergrundes (Gefügestörungen, Mikrorisse) sichergestellt. Dabei wird mit einem Kernbohrgerät (Innendurchmesser 50 mm) bis in eine Tiefe von 10 mm bei der Prüfung der Abreißfestigkeit von Beton gebohrt. Nach Trockenlegung der Prüfflächen werden Stahlstempel mit einem Zweikomponentenkleber aufgeklebt. Nach der Aushärtezeit erfolgte die Bestimmung der Abreißfestigkeit durch zentrisches Abziehen des Stahlstempels unter konstanter Belastungsgeschwindigkeit. Versuche aus vorhergehenden Projekten haben jedoch gezeigt, dass mit dieser Prüfung nur sehr begrenzte Aussagen möglich sind. Darüber hinaus muss bei der im Rahmen dieses Projektes untersuchten Versuchskonfiguration davon ausgegangen werden, dass ein neu hergestellter Beton als Unterbeton die erforderlichen Abreißfestigkeiten bei sachgemäßer Prüfung erreicht. Für Instandsetzungsmaßnahmen werden Anforderungen an den Untergrund in der ÖVBB Richtlinie „Erhaltung und Instandsetzung von Bauten aus Beton und Stahlbeton“ [2.2-4] definiert. Der vorbehandelte Untergrund hat eine ausreichende Festigkeit und Rautiefe aufzuweisen, wobei die Anforderungen an das jeweilige Instandsetzungssystem anzupassen sind. Die Anforderungen an die Haftzugfestigkeit liegen je nach System zwischen 0,8 und 2,0 N/mm², die Anforderungen an die Rautiefe im Mittel 1,0 mm ± 0,2 mm bzw. sind vom Hersteller des Instandsetzungsproduktes zu definieren [2.2-4]. Für die Herstellung von Aufbetonschichten auf Fahrbahnplatten zur Verstärkung von Brückentragwerken sind die Anforderungen gemäß RVS 15.02.34 [2.2-5] einzuhalten. Für diese Baumaßnahmen ist die Fuge durch HDW-Strahlen so aufzurauen, dass eine mittlere Rautiefe von ≥ 3,0 mm, bestimmt mit dem Sandflächenverfahren nach Kaufmann, und eine
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Abreißfestigkeit ≥ 1,5 N/mm² eingehalten werden kann. Bei diesen Verstärkungsverfahren erfolgt generell keine Anpassung der Rauheit an die Eigenschaften, insbesondere das Größtkorn, der Aufbetonschicht. Um einen ausstreichenden Verbund zwischen Alt- und Neubeton zu gewährleisten, wird derzeit im Zuge von Bauwerksinstandsetzungen auf die Anwendung spezieller Dübeltechnik zurückgegriffen. Hier stellen verschiedene Hersteller Lösungen zur Verfügung. Die Tragwirkung der Dübel kann jedoch erst dann aktiviert werden, wenn bereits ein Riss in der Verbundfuge vorhanden ist und somit zumindest lokal die Adhäsion und Reibungskräfte überschritten wurden [2.2-6]. Weiters haben Dübel den großen Nachteil, dass sich durch deren Einbau sowohl Arbeitsaufwand als auch Baukosten stark erhöhen. Derzeit ist die kontrollierte Herstellung einer voll wirksamen Verbundoberfläche nicht bzw. nur ungenügend geregelt, da Oberflächeneigenschaften nur durch eine erforderliche Abreißfestigkeit und Rautiefe ermittelt werden. 2.2.2
Kraftübertragung in Verbundfugen
Die Anwendung von Verbundkonstruktionen gewinnt ständig an Bedeutung, da immer mehr Bauwerke saniert und verstärkt werden müssen. In Zukunft wird ein erheblicher Anteil an Bauleistung im Instandsetzungsbereich erforderlich sein. Dabei besteht die Herausforderung darin, dass auf einen schon meist über Jahrzehnte bestehenden Beton eine neue Schichte kraftschlüssig aufgebracht wird. Wesentlich ist, dass zu einem gewissen Teil Normal- bzw. Scherkräfte übertragen werden können und die beiden Schichten auch beständig gegenüber dynamischer Verkehrsbeanspruchung sowie Umwelteinflüssen sind. Grundsätzlich sind bei der Instandsetzung von Betontragwerken unterschiedliche Arbeitsschritte erforderlich, die auch sorgsam auszuführen sind. Als erster Schritt werden Fahrbahnaufbauten bzw. allfällige Abdichtungsebenen entfernt und die Verbundfuge ist durch geeignete Maßnahmen (Fräsen- bzw. Hochdruckwasserstrahlen) aufzurauen. Nach dem Versetzen der erforderlichen Anzahl der Dübel ist der Aufbeton auf eine saubere, vorgenässte Verbundfuge aufzubringen und zu verdichten. Das Tragverhalten der entstehenden Verbundkonstruktion selbst hängt, neben den Materialeigenschaften der einzelnen Schichten, wesentlich von der Ausbildung der Verbundfuge zwischen Alt- und Neubeton ab. Je nach deren Beschaffenheit (Verzahnung der Fuge) ist zwischen starren und verschieblichen Verbund zu unterscheiden [2.2-6]. Abbildung 2 zeigen die beiden Extrembeispiele des starren sowie verschieblichen Verbundes.
Abbildung 2: Starrer sowie verschieblicher Verbund [2.2-6]
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Um die Verbundwirkung von zwei Schichten auch betontechnologisch besser zu verstehen, ist die Kenntnis der Komponenten Adhäsion, Reibung sowie einer Verbundwirkung durch Dübel- oder Klemmwirkung erforderlich. Alle drei Komponenten der Schubkraftübertragung wirken nicht bereits zu Beginn der Belastung sondern werden erst mit zunehmender Laststeigerung aktiviert. Betontechnologisch relevant sind die Schubkomponenten Adhäsion sowie Reibung und daher wird im Folgenden näher auf diese Komponenten eingegangen. Eine Dübelbewehrung verhindert erst eine weitere Verschiebung, wenn die Verbundfuge bereits geöffnet ist. Der Haftverbund zufolge Adhäsion resultiert aus chemischen und physikalischen Bindungskräften zwischen den angrenzenden Schichten. Dies sind sowohl physikalische Kräfte, die während der Hydratation von Zement entstehen, als auch chemische Bindungen zwischen den einzelnen Bestandteilen des Betons durch interatomare und molekulare Kräfte. Die Bindungskräfte sind nur bei sehr geringen Verschiebungen bis zu 0,02 mm aktiv. Grundsätzlich ist die Erfassung der Höhe der Adhäsionskräfte zufolge chemischer Bindung nur schwer möglich, theoretische Angaben reichen von 30 N/mm² bis zu 17 500 N/mm² [2.27]. Physikalische Bindung entsteht durch Unebenheiten der Oberfläche, wodurch sich gewisse Verzahnungseffekte ausbilden können. Dabei stellt die Rauheit bzw. die wahre Oberfläche einen wichtigen Begriff dar. Die makroskopische Verzahnung reicht zur Erklärung der ermittelten Bindungseffekte grundsätzlich nicht aus, sondern es ist auch eine gewisse Mikrorauheit, im mikroskopischen bzw. submikroskopischen Bereich dargestellt, anzunehmen [2.2-8]. Abbildung 3 zeigt exemplarisch die mechanische Verzahnung unterschiedlicher Skalierungen.
(a)
Abbildung 3: Makrorauheit, [nach 2.2-8]
(c)
(b)
Mikrorauheit
und
submikroskopische
Verzahnung
Die Reibung wird als genereller Widerstand der relativen Bewegungen von sich in Kontakt befindlichen Festkörpern empfunden. Zur Aktivierung der Reibung sind sowohl Unebenheiten als auch eine Normalkraft erforderlich. Bei sehr geringen Verschiebungen wirkt die Haftreibung bzw. Adhäsion, bei größeren Verschiebungen ist dann die Gleitreibung anzusetzen. Die Reibung der Verbundfuge selbst ist von dem Reibbeiwert µ, welcher in Relation zur Ausprägung der Verbundfuge steht, abhängig. Eurocode 2 (2.2-9) definiert für die Bemessung und Konstruktion von Stahlbeton- und Spannbetontragwerken je nach Oberflächenausbildung folgende Reibungsbeiwerte: Sehr glatt Glatt Rau Verzahnt
μ = 0,5 μ = 0,6 μ = 0,7 μ = 0,9
Dabei bezeichnet sehr glatt, wenn die Betonoberfläche durch Betonieren an Stahl, Kunststoff oder glatte Holzschalungen hergestellt wurde, glatt wenn die Betonoberfläche abgezogen oder nach dem Verdichten ohne weitere Behandlung belassen wurde, rau wenn die Rautiefe mindestens 3 mm beträgt und verzahnt wenn eine entsprechend profilierte Fugenausbildung vorliegt. Diese Fugenausbildung ist dann gewährleistet, wenn Erhebungen und Vertiefungen
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gemäß Abbildung 4 vorliegen.
Abbildung 4: Verzahnte Fugenausbildung [2.2-9] Im Folgenden sind noch einige betontechnologische Einflussparameter auf das Verbundverhalten angeführt. Wesentlich sind jedenfalls die mechanischen Eigenschaften des Betons. Um einen ausreichenden Verbund sicherstellen zu können, hat die Oberfläche des Altbetons eine ausreichend homogene, rissfreie Struktur aufzuweisen. Je nach Beschaffenheit des Betonuntergrundes kann es zu einem Versagen im Untergrundbeton, in der Verbundfuge sowie direkt im Interfact kommen. Verschiedenste Untersuchungen haben gezeigt, dass die Festigkeit des Betons in Randzonen etwa nur die Hälfte jenes Wertes des homogenen Betons erreicht [2. 2-10]. Grundsätzliche Einflussfaktoren auf die Eigenschaften von Verbundfugen sind:
Kornverteilung in der Betonrandzone In Betonrandzonen ist aufgrund von Wandeffekten immer mit einer anderen Kornverteilung (mehr Bindemittelleim und weniger grobe Gesteinskörnung) zu rechnen. Entmischungsvorgänge Durch die Nachbearbeitung von Beton wie Verdichten und Abziehen entstehen Feinmörtelschichten bzw. auch Blutwasser, die die Betoneigenschaften lokal beeinträchtigen. Umwelteinwirkungen am jungen Beton Speziell junger Beton ist sehr empfindlich gegenüber Umweltweinwirkungen wie Frost, Sonneneinstrahlung und generelle Austrocknung. Selbst bei optimaler Nachbehandlung entspricht die Betonqualität an der Oberfläche nicht jener im Bauteilinneren. Umwelteinwirkungen am erhärtenden Beton Umwelteinwirkungen wie Frost, chemischer Angriff und auch mechanische Belastung führen zu einer fortlaufenden Gefügestörung von Randzonen.
Aufgrund dieser Punkte kann zusammengefasst werden, dass selbst bei optimaler Ausbildung der Verbundfuge die Eigenschaften von homogenem Beton nur schwer erreicht werden können. 2.2.3Zusammenhänge zwischen Verbund und Oberflächeneigenschaften Bisher wurden bereits einige Untersuchungen zum Zusammenwirken von Oberflächen- und Verbundeigenschaften durchgeführt. Viele dieser Untersuchungen zeigten, dass zur Charakterisierung von Verbunden nicht nur die Haftzugfestigkeiten sondern aufwändigere Prüfmethoden (z.B. Ermittlung von bruchmechanischen Kennwerten) erforderlich sind. Eine gute Darstellung zum Verständnis des Tragverhaltens unterschiedlicher Schichten lieferte Saouma [2.2-11]. Er führte Versuche zum Verbundverhalten von BetonGesteinskörnungsinterfaces für Mixed Mode Beanspruchung durch. Die in Abbildung 5 dargestellten Kraft-Rissöffnungskurven zeigen, dass die bruchmechanischen Kennwerte von Verbundbaustoffen durch die Eigenschaften der beteiligten Werkstoffe limitiert sind.
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Abbildung 5: Typische Kraft-Verschiebungskurven für homogenen Beton, homogenen Sandstein sowie Beton-Sandsteinverbundwerkstoff [nach 2.2-11] Ähnliche Ergebnisse mit Beton-Beton-Verbunden konnte Tschegg publizieren [2.2-12]. Abbildung 6 zeigt das Kraft-Rissöffnungsdiagramm von Keilspaltversuchen bei unterschiedlicher, künstlicher Oberflächenprofilierung des Altbetons.
Abbildung 6: Horizontalkraft-Rissöffnungsdiagramm von Probekörpern mit unterschiedlicher Behandlung der Altbetonoberfläche ohne Dübelverstärkung [2.2-12]
Weitere aufschlussreiche Untersuchungen lieferte Zikmunda mit der bruchmechanischen Charakterisierung unterschiedlicher Oberflächen [2.2-13]. Er konnte zeigen, dass bei unterschiedlicher Oberflächenprofilierung jeweils unterschiedliche bruchmechanische Kennwerte im Vergleich zum homogenen Beton ermittelt werden können. Abbildung 7 zeigt diese Zusammenhänge. Dabei definiert beispielsweise Probekörper A eine geschliffene Oberfläche, Probekörper D eine wassergestrahlte Oberfläche, Probekörper J eine Oberflächenprofilierung mit Sinus tief sowie Probekörper K den monolithischen Probekörper. Bemerkenswert ist, dass die wassergestrahlte Oberfläche D nur relativ geringe Verbundkennwerte liefert. Eine Angabe über die Intensität des Wasserstrahlens wurde nicht gemacht.
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Abbildung 7: Spezifische Bruchenergie in Prozent des monolithischen Probekörpers (b) [nach 2.2-13] Im Gegensatz dazu konnten andere Untersuchungen zeigen, dass durch Oberflächenprofilierung des frischen Betons und anschließendem Hochdruckwasserstrahlen deutlich bessere Verbundeigenschaften erreicht werden können als in Abbildung 7 dargestellt. Bei diesem Versuchsprogramm wurden Oberflächen des frischen Betons unterschiedlich profiliert und anschließend durch Hochdruckwasserstrahlen bearbeitet [2.214]. Abbildung 8 zeigt diese Zusammenhänge für die unterschiedlichen Oberflächenbearbeitungen glatte Abziehen B5, glatte Abziehen und Hochdruckwasserstrahlen B3, Strukturieren der Oberfläche mit Rechen und Hochdruckwasserstrahlen B6 sowie den homogenen Tragwerksbeton.
Abbildung 8: Spezifische Bruchenergie in Abhängigkeit der Oberflächenbearbeitung [2.214] Obige Abbildung zeigt, dass durch entsprechende Oberflächenbearbeitung Verbundeigenschaften, die nahe jenen den homogenen Tragwerksbetons liegen, erreicht werden können.
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2.3
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Technische Lösungsvorschläge
Um die optimale Ausnutzung der Verbundfuge auch im Bemessungskonzept für hochfeste Aufbetone zu verankern, ist es notwendig, eine Datengrundlage zur Beurteilung des Verbundverhaltens unterschiedlich gestrahlter Oberflächen zu schaffen. Hierfür werden im ersten Forschungsjahr Untersuchungen zur Beurteilung der Verbundfestigkeit in Mode I Normalbeanspruchung (Smart Minerals) sowie Mode II ebene Scherung (FH Kärnten) durchgeführt, die als Datengrundlage zur Weiterentwicklung eines entsprechenden Bemessungstermes dienen sollen. Dabei ist es wesentlich, dass auch höherfeste Betone untersucht werden, da deren Einfluss auf die Verbundeigenschaften bisher nur ungenügend untersucht wurde. Wesentlich bei den Untersuchungen ist, Oberflächenausbildung in Relation zu den Verbundeigenschaften setzen zu können. Hierbei erfolgt, eine über die Normverfahren hinausgehende Charakterisierung der Oberfläche mit einem dreidimensionalen Oberflächenmodell, welches deutlich besser Oberflächeneigenschaften charakterisiert und so Aussagen über den Einfluss unterschiedlicher Oberflächen auf die Verbundeigenschaften liefert. Zur Lösung der Teilfragestellung aus Forschungsjahr 1 wurden Versuchsplatten mit einem typischen Brückentragwerksbeton betoniert, die im Alter von etwa 4 Wochen durch Hochdruckwasserstrahlen so bearbeitet wurden, sodass drei unterschiedliche Rautiefenstufen glatt, rau sowie verzahnt erreicht wurden. Vor dem Einbringen des Aufbetons erfolgte das Anfeuchten der Oberfläche in den Intensitäten mattfeucht, feucht und nass. Anhand dieser Serie an Probekörpern wurden die Verbundkennwerte Haftzugfestigkeit sowie die Kerb-Spaltzugfestigkeit und die spezifische Bruchenergie ermittelt. Diese Kennwerte konnten in Relation zu den anhand des digitalen Oberflächenmodells ermittelten Oberflächeneigenschaften gesetzt werden. Folgendes Kapitel gibt eine Überblick über die durchgeführten Arbeiten. Die Ergebnisse der Untersuchungen sind in Arbeitspaket 3 zusammengefasst.
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2.4
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Durchgeführte Arbeiten
AP 1 Statistische Analyse und detaillierte Programmerstellung Im Rahmen dieses Arbeitspaketes erfolgte die detaillierte Erstellung des gesamten Versuchsprogramms inkl. Konzeption der Versuchskörper sowie der Auswahl der zu verwendenden Betonsorten und Oberflächenrauheiten. Ebenso erfolgten die Darstellung der normativen Grundlagen sowie die Koordination aller Projektbeteiligten. AP 2 Planung und Herstellung der Kleinversuchskörper Wesentlich für die Abwicklung im ersten Forschungsjahr war die Planung und Herstellung der Kleinkörperversuche. Zur Vergleichbarkeit mit den geplanten Großkörperversuchen im Forschungsjahr 2 war wesentlich, dass die Kleinkörper mit identen Rezepturen wie die Großkörper hergestellt werden können. Erforderlich war daher, speziell für den Aufbeton, eine Rezeptur aus Hochleistungsbeton zu entwickeln, die auch mit lokalen Ausgangsstoffen in Kärnten hergestellt werden kann. Diese Tätigkeiten erfolgten in enger Kooperation mit einem Transportbetonhersteller im Raum Villach. AP 3
Durchführung der Kleinkörperversuche zum Haftverbund
Im Rahmen der Durchführung der Kleinkörperversuche zum Haftverbund wurden als erster Schritt die Oberflächeneigenschaften der einzelnen Probekörper mit Hilfe eines digitalen Oberflächenmodells ermittelt. Nach Aufbringen des Aufbetons erfolgten die Entnahme der Probekörper sowie die Ermittlung Verbundeigenschaften durch Prüfung der Haftzugfestigkeit sowie der Bestimmung der bruchmechanischen Kennwerte mit der Keilspaltmethode. AP 4 Durchführung Normalkraft
der
Kleinkörperversuche
mit/ohne
Reibungsanteil
bzw.
Die Abwicklung dieses Arbeitspaktes erfolgte durch die FH Kärnten.
AP 5 Auswertungen und Überlegungen zum Einfließen der Versuchsergebnisse aus AP 3 und AP 4 in ein erweitertes Bemessungskonzept sowie Berichtslegung Forschungsjahr 1 Auf Basis der Versuche erfolgten erste Überlegungen zum Einfließen der Versuchsergebnisse in ein erweitertes Bemessungskonzept. Hierbei ist es wesentlich, dass auch Baustelleneinflüsse und dadurch resultierende Streuungen berücksichtigt werden. Zur Überwachung der tatsächlichen Bauausführung und somit Sicherstellung der erforderlichen Qualität ist daher ein entsprechendes Prüfprogramm erforderlich, welches, auch auf Basis der Großkörperversuche, noch zu definieren ist. Weites wurden im Rahmen dieses Arbeitspaketes alle Versuchsergebnisse zusammengestellt und für die Erstellung des Abschlussberichtes aufbereitet.
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AP 6 Planung der Großkörperversuche zur Untersuchung des flächigen Verbundes bzw. strukturellen Zusammenwirkens Es erfolgten erste Planungen der Großkörperversuche. Die Abmessungen für diese Versuche sollten etwa 1,5 x 3,5 m aufweisen, wobei die Grundstruktur, wie bei den Kleinkörperversuchen, mit einem Beton C30/37/B5 hergestellt werden soll. Der Aufbeton wird, analog den Vorversuchen, mit einem Beton C60/75/HL-B hergestellt. Um eine realitätsnahe Einbringung zu simulieren, ist zur Sicherstellung einer ausreichenden Verdichtung eine ausreichende Schichtstärke der Aufbetonschichte von etwa 10 cm erforderlich. Weiters sind Fragestellungen bezüglich der erforderlichen Nachbehandlung bzw. der Vermeidung von Temperatur- bzw. Schwindrissen zu beantworten.
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3
Prüfungsdurchführung und Ergebnisse
Im Folgenden sind, chronologisch nach den Arbeitspaketen, Untersuchungen und Ergebnisse zusammengefasst.
3.1
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die
durchgeführten
Probekörperherstellung
Die Herstellung der Probekörper erfolgt grundsätzlich in zwei Schritten. Als erster Schritt wurde der Unterbeton eingebracht. Auf diesem erfolgte die entsprechende Oberflächenbearbeitung bzw. Oberflächenprofilierung. Da bei den Versuchen eine Vergleichbarkeit der Kleinkörperversuche mit den im Forschungsjahr 2 durchzuführenden Großkörperversuchen sicherzustellen war, sowie alle Versuchskörper, die von Smart Minerals und der FH Kärnten mit unterschiedlichen Methoden geprüft wurden, die gleichen Betoneigenschaften aufzuweisen hatten, erfolgte die Herstellung aller Probekörper bei der FH Villach. Als Unterbeton kam ein typischerweise für Brückentragwerke verwendeter Beton mit der Sortenbezeichnung C30/37//F45/GK16/B5 zum Einsatz. Weit schwieriger gestaltete sich die Auswahl des Aufbetons. Aufgrund der Rahmenbedingungen, dass diese Rezeptur auch regional in Österreich herstellbar ist und dadurch auch Großkörper im zweiten Forschungsjahr mit der gleichen Rezeptur hergestellt werden können, waren einige Tastversuche mit verfügbaren Zementen bzw. Gesteinskörungen erforderlich. Ziel war es, einen Beton mit der Festigkeitsklasse C90/105 herzustellen. Dabei wurden unterschiedliche Rezepturen mit lokaler Gesteinskörnung, im Transportbetonwerk vorrätigen Zementen bzw. Mikrosilica im Labor auf deren Festigkeitsentwicklung bzw. Endfestigkeit untersucht. Eine Zusammenstellung der Rezepturen ist Tabelle 1 zu entnehmen. Tabelle 1:
Zusammenstellung der Rezepturen für die Betonsorten C30/37/B5 bzw. der Tastrezepturen Hochleistungsbeton HL-B-1 und HL-B-2
Betonausgangsstoffe
Einwaagen gemäß Rezeptur bzw. Betonkennwerte [kg/m³] oder angegeben C30/37/B5
Zement: CEM II/A-M 42,5 N Zement: CEM I42,5 R Zement: CEM II/A-S 52,5 N
HL-B-1
HL-B-2
337
-
-
-
438
-
-
-
440
60
-
-
-
30
30
Gesteinskörnung RK 0/4
876
897
897
Gesteinskörnung RK 4/8
140
180
180
Gesteinskörnung RK 8/16
784
717
717
Gesamtwasser
180
170
170
Fließmittel
2,00
5,00
5,00
LP-Mittel
0,30
-
-
Frischbetonrohdichte
2320
2480
2480
W/B-Wert
0,50
0,34
0,34
Luftgehalt
5,0
1,0
1,0
Konsistenz (Zielwert) [cm] Festigkeit [N/mm²]
55 64
42 87
45 87
Zusatzstoff AHWZ Zusatzstoff Mikrosilika
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Die Vorversuche zeigten, dass bei den Hochleistungsbetonen die angestrebte Festigkeit von etwa 100 N/mm² bei der Verwendung lokaler Gesteinskörnung bzw. in den Silos vorrätigen Zementen nicht erreicht werden kann. Aufgrund dieser Vorversuche wurde festgelegt, dass die Laborprobekörper im Forschungsjahr 1 mit der Rezeptur HL-B-1 hergestellt werden sollen. Dies soll einerseits den Praxisbezug des Forschungsvorhabens unterstreichen und andererseits sicherstellen, dass die Versuchsergebnisse der Kleinkörperversuche mit jenen der Großkörperversuche vergleichbar sind. Um ergänzende Aussagen für zukünftige Bemessungskonzepte zu erhalten ist angedacht, zusätzlich im Forschungsjahr 2 noch Kleinkörperversuche mit einer Aufbetonschicht mit höherer Festigkeit (100 N/mm²) durchzuführen. Der Unterbeton wurde, um die Vergleichbarkeit der Ergebnisse sicherzustellen, im Labor der FH Kärnten in Villach eingebracht. Abbildung 9 zeigt die Einbringung des Tragwerksbetons mit der Betonsortenbezeichnung C30/37/F45/GK16/B5.
Abbildung 9: Probekörperherstellung Tragwerksbeton Nach einer Liegedauer von etwas mehr als einem Monat wurden die Probekörper mit einer Handlanze und einem Pumpendruck von etwa 2400 bar aufgeraut. Dabei erfolgte die Profilierung der Oberfläche in den Tiefenstufen glatt (definierte Rautiefe von 0,3 bis 0,8 mm), rau (definierte Rautiefe von 1,5 bis 2,0 mm) und verzahnt (definierte Rautiefe von 2,0 bis 4,0 mm). Eine detaillierte Zusammenstellung ist Abschnitt 3.3 zu entnehmen. Nach der Erhöhung der Schalung zur Einbringung von weiteren 10 cm des Aufbetons wurde der Beton mit der Sortenbezeichnung C60/75/GK16/F45/HL-B eingebracht. Abbildung 10 zeigt die Einbringung des Tragwerksbetons mit der Betonsortenbezeichnung C30/37/F45/GK16/B5.
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Abbildung 10: Probekörperherstellung Aufbeton
Neben der Herstellung der Probekörper mit nachträglicher Bearbeitung durch Hochdruckwasserstrahlen wurden auch Proben mit Betoneinbringung nass in nass hergestellt. Hierbei wurde der Unterbeton mit der Betonsortenbezeichnung C30/37/F45/GK16/B5 eingebracht, teilweise aufgeraut und nach einer Liegedauer von etwa 2 Stunden die Aufbetonschichte appliziert. Abbildung 11 die Betoneinbringung der Probekörper nass in nass
Abbildung 11: Probekörperherstellung nass in nass mit aufgerauter Oberfläche (links) und glatter Oberfläche nach dem Verdichten (rechts)
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3.2
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Begleitende Prüfung
3.2.1
Frischbetonprüfung
Im Rahmen der Probekörperherstellung erfolgten zur Sicherstellung der geforderten Betoneigenschaften Frisch- und Festbetonprüfungen. Die beiden verwendeten Rezepturen (SOLL Einwaagen gemäß Erstprüfung bzw. Rezepturvorgabe) sind in Tabelle 2 zusammengestellt. Tabelle 2:
SOLL - Einwaagen gemäß Rezeptvorgabe, Betonsorte C30/37/F45/GK16/B5 und Betonsorte C60/75/GK16/F45/HL-B
Betonsorte: C30/37/F45/GK16/B5
Zement: CEM II/A-M 42,5 N Zusatzstoff AHWZ
SOLL Betonsorte: Einwaagen C60/75/GK16/F45/HL-B gemäß Rezeptur [kg/m³] 337 Zement: CEM I 42,5 R
SOLL Einwaagen gemäß Rezeptur [kg/m³] 438
60 Zusatzstoff Mikrosilica
30
Gesteinskörnung RK 0/4
876 Gesteinskörnung RK 0/4
897
Gesteinskörnung KK 4/8
140 Gesteinskörnung KK 4/8
180
Gesteinskörnung KK 8/16
784 Gesteinskörnung KK 8/16
717
Gesamtwasser
180 Gesamtwasser
170
Fließmittel
2,00 Fließmittel
5,00
LP-Mittel
0,30 LP-Mittel
Frischbetonrohdichte
2320 Frischbetonrohdichte
2480
W/B-Wert
0,50 W/B-Wert
0,34
-
Luftgehalt
5,0 Luftgehalt
1,0
Konsistenz (Zielwert)
55 Konsistenz (Zielwert)
45
Die bei den Frischbetonprüfungen ermittelten Werte bzw. die IST - Einwaagen für die jeweiligen Rezepturen gemäß Chargenprotokoll sind Tabelle 3 zu entnehmen.
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Tabelle 3:
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Frischbetonprüfung und IST Einwaagen gemäß Chargenprotokoll, Betonsorte C30/37/F45/GK16/B5 und Betonsorte C60/75/GK16/F45/HL-B
Betonsorte: C30/37/F45/GK16/B5
Datum 2)
Betontemperatur Zement: CEM II/A-M 42,5 R Zusatzstoff AHWZ Gesteinskörnung RK 0/4
Frischbeton- Betonsorte: prüfung und C60/75/GK16/F45/HL-B ISTEinwaagen gemäß Chargenprotokoll 04.03.2015 Datum 2)
17,4 °C
Betontemperatur 335 kg/m³ Zement: CEM I 42,5 R 59 kg/m³ Zusatzstoff Mikrosilica
Frischbetonprüfung und ISTEinwaagen gemäß Chargenprotokoll 08.04.2015 19,8 °C 464 kg/m³ 30 kg/m³ 918 kg/m³
Gesteinskörnung KK 4/8
859 kg/m³ Gesteinskörnung RK 0/4 133 kg/m³ Gesteinskörnung KK 4/8
Gesteinskörnung KK 8/16
785 kg/m³ Gesteinskörnung KK 8/16
722 kg/m³
Gesamtwasser
2)
Frischbetonrohdichte W/B-Wert
2)
2)
Luftgehalt
2)
Konsistenz 1) 2)
2)
2)
166 kg/m³ Gesamtwasser Frischbetonrohdichte lt. 2338 kg/m³ 2) Versuchsbetonierung 2) 0,43 W/B-Wert 5,2 % Luftgehalt
2)
a10 = 42 cm Konsistenz
2)
176kg/m³ 165 kg/m³ 2392 kg/m³ 0,32 3,8 % a10 = 46 cm
Einwaage gemäß Chargenprotokoll Prüfwert Frischbetonprüfung
Die ermittelten Frischbetonkennwerte stimmen mit den in der Rezeptur geforderten Werten überein und entsprechen den Anforderungen für Identitätsprüfung (Baustellenprüfung) der Betonsorte. 3.2.2
Bestimmung der Druckfestigkeit und des Elastizitätsmoduls
Zur Ermittlung der Betoneigenschaften erfolgte die Bestimmung der Druckfestigkeit und des statischen Elastizitätsmoduls im Betonalter von 28 Tagen. Die Ermittlung der jeweiligen Druckfestigkeiten und Rohdichten erfolgte an Würfeln mit den Abmessungen 15/15/15 cm. Die Lagerung erfolgte gemäß ONR 23303 [2.2-3]. Die Ergebnisse der ermittelten Druckfestigkeiten für die Betonsorten C30/37/F45/GK16/B5 und C60/75/GK16/F45/HL-B sind in Tabelle 4 und Tabelle 5 zusammengestellt.
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Tabelle 4:
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C30/37/F45/GK16/B5: Druckfestigkeit Rohdichte kg/m³
Prüfalter Tage 28
Tabelle 5:
Druckfestigkeit N/mm²
EW
MW
EW
MW
2305; 2311; 2299
2300
60,7; 62,0; 60,9
61
C60/75/GK16/F45/HL-B: Druckfestigkeit Rohdichte kg/m³
Prüfalter Tage 28
Druckfestigkeit N/mm²
EW
MW
EW
MW
2380; 2384; 2388
22380
86,1; 87,8; 89,9
88
Die Ermittlung des statischen Elastizitätsmoduls und der Rohdichten erfolgte an Prismen mit den Abmessungen 10/10/36 cm. Die Lagerung und Prüfung erfolgte gemäß ONR 23303 [2.2-3]. Die Ergebnisse der ermittelten Elastizitätsmodulen für die Betonsorten C30/37/F45/GK16/B5 und C60/75/GK16/F45/HL-B sind in Tabelle 6 und Tabelle 7 zusammengestellt. Tabelle 6:
C30/37/F45/GK16/B5: statischer Elastizitätsmodul
Prüfalter Tage
Statischer E-Modul MPa
28
Tabelle 7:
26400
C60/75/GK16/F45/HL-B: statischer Elastizitätsmodul
Prüfalter Tage
Statischer E-Modul Mpa
28
33200
Die ermittelten Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften dienen als Grundlage für die spätere Bewertung der Verbundeigenschaften. 3.2.3
Luftporenkennwerte
Zur Überprüfung der Betonqualität erfolgte als begleitende Überprüfung die Bestimmung der Luftporenkennwerte. Hierfür wurden aus einem Prüfwürfel gemäß ONR 23303 [2.2-3] mit einer Steinsäge eine ca. 2 cm dicke Platte parallel zur Würfelachse geschnitten und die Schnittflächen mit einer Diamanttopfscheibe auf matten Glanz geschliffen. An der Platte wurden die Luftporenkennwerte gemäß Tabelle 8 für den Betonsorte C30/37/F45/GK16/B5 bzw. gemäß Tabelle 9 für die Betonsorte C60/75/GK16/F45/HL-B ermittelt.
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Tabelle 8:
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Messergebnisse C30/37/F45/GK16/B5
Luftporenkennwerte Gesamtlänge der Messstrecken Anzahl der Poren Gesamtlänge gemessener Sehnen Durchschnittlicher Durchmesser Zement + Zusatzstoff Wassergehalt Leimgehalt P Spezifische Oberfläche der Luftporen Zementstein : Luftgehalt R Gesamtluftgehalt L300 Abstandsfaktor
[mm] [-] [mm] [mm] [kg/m³] [kg/m³] [Vol-%] [1/mm] [-] [Vol-%] [%] [mm]
Messwerte 1264 428 68.3 0.24 385 166 29 25 5.4 5.40 2.83 0.19
Rohdichte UW
[kg/m³]
2334
Sollwerte für Identitätsprüfung Ges. Luftgehalt [Vol-%]: 3.0 bis 5.0 1.0 L300 [Vol-%] -Abstandsfaktor [mm]
Porenverteilung Durchmesser
[µm]
Luftporengehalt Verteilung < 1mm
[%] [%]
10
20
40
Vergrößerung: 50-fach
Expositionsklasse: XF2 Vergrößerung: 50-fach Messlänge: 1 Größtkorn: GK 16
80
160 300 500 1000 2000 4000
0.00 0.00 0.07 0.24 1.43 2.83 3.76 4.28 5.41 5.41 0 0 2 6 34 66 88 100
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Tabelle 9:
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Messergebnisse C60/75/GK16/F45/HL-B
Luftporenkennwerte Gesamtlänge der Messstrecken Anzahl der Poren Gesamtlänge gemessener Sehnen Durchschnittlicher Durchmesser Zement + Zusatzstoff Wassergehalt Leimgehalt P Spezifische Oberfläche der Luftporen Zementstein : Luftgehalt R Gesamtluftgehalt L300 Abstandsfaktor
[mm] [-] [mm] [mm] [kg/m³] [kg/m³] [Vol-%] [1/mm] [-] [Vol-%] [%] [mm]
Messwerte 1369 92 37.5 0.61 462 164 32 10 11.6 2.74 0.46 0.69
Rohdichte UW
[kg/m³]
2418
Sollwerte für Identitätsprüfung Ges. Luftgehalt [Vol-%]: 4.5 bis 8.5 L300 [Vol-%] 1.8 Abstandsfaktor [mm] 0.19
Porenverteilung Durchmesser
[µm]
Luftporengehalt Verteilung < 1mm
[%] [%]
10
20
40
Vergrößerung: 50-fach
Expositionsklasse: XF4 Vergrößerung: 50-fach Messlänge: 1 Größtkorn: GK 16
80
160 300 500 1000 2000 4000
0.00 0.00 0.01 0,02 0.15 0.46 0.76 1.44 2.18 2.52 0 0 1 2 10 32 52 100
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Die Ergebnisse sind in Tabelle 10 den Anforderungen der ÖNORM B 4710-1 [3.2-1] gegenübergestellt. Tabelle 10:
Luftporenkennwerte bestimmt nach ONR 23303 [2.2-3] Ergebnis gemessen
Betonsorte L [%]
AF [mm]
L300 [%]
Anforderung für Identitätsprüfung für XF3 AF [mm] L300 [%]
C30/37/F45/ 5,40 0,19 2,83 ≥ 0,9 GK16/B5 C60/75/GK16/F4 1) 1) 2,74 0,69 0,46 ≥ 0,9 5/HL-B 1) Aufgrund der erforderlichen hohen Festigkeit wurde kein Luftporenmittel beigegeben und die erforderlichen Luftporenkennwerte daher auch nicht erreicht.
Die ermittelten Luftporenkennwerte L300 entsprechen bei der Betonsorte C30/37/F45/GK16/B5 den Anforderungen. Für die Betonsorte C60/75/GK16/F45/HL-B werden die Luftporenkennwerte nicht erreicht, da hier aufgrund der geforderten, möglichst hohen Festigkeit kein Luftporenmittel begeben wurde. Bei einer Bauausführung und geforderten Beständigkeit für die Expositionsklasse XF3 bzw. XF4 müsste ein Nachweis am Festbeton erfolgen.
3.3
Oberflächenprofilierung
An den hergestellten Platten erfolgte die Vorbereitung der Oberflächen zur Sicherstellung eines bestmöglichen Verbundes. Dabei wurde, um die beste Oberflächenstruktur für ein optimales Tragverhalten der Verbundkonstruktion zu gewährleisten, die Oberflächenbearbeitung durch Hochdruckwasserstrahlen durchgeführt. Im Zuge dieser Arbeiten wurde der Abtrag durch Hochdruckwasserstrahlen so variiert, das folgende Rautiefen erzielt werden konnten: -
Glatt – Rautiefe von 0,30 bis 0,80 mm Rau – Rautiefe von 1,50 bis 2,00 mm Verzahnt – Rautiefe von 2,00 bis 4,00 mm
Abbildung 12 zeigt das optische Erscheinungsbild der unterschiedlich bearbeiteten Oberflächen vor dem Einbringen des Aufbetons.
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Abbildung 12: Unterschiedliche Oberflächenprofilierungsmaßnahmen rechts oben rau und links unten verzahnt)
3.4
(links
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oben
glatt,
Oberflächeneigenschaften
Werden zwei Betonwerkstoffe aneinander gefügt, so ist zur Erzielung eines möglichst guten Verbundes die Oberflächenbeschaffenheit der unteren, bestehenden Betonschichte von entscheidender Bedeutung. Um eine ausreichende Verbundwirkung zu gewährleisten, werden in RVS 15.02.34 [2.2-5] zur Bemessung und Ausführung von Aufbeton auf Fahrbahnplatten Anforderungen an die Oberflächenbeschaffenheit definiert. Hierbei wird eine mittlere Rautiefe R ≥ 3,0 mm gemäß EN 1766 [2.2-2] gefordert. Diese Prüfmethode wurde von N. Kaufmann [3.4-1] entwickelt und ist seit Jahrzehnten bekannt und es liegen daher viele Erfahrungen vor. Die Ermittlung der Rautiefe liefert nur jeweils einen, teilweise nicht aussagekräftigen Einzelwert als Prüfergebnis. Dadurch ist es nur bedingt möglich, Aussagen über Zusammenhänge zwischen Oberflächeneigenschaften und Verbundverhalten zu treffen. Zur Beurteilung der Oberflächeneigenschaften stehen neben der normativ geregelten Bestimmung mit dem Sandflächenverfahren nach Kaufmann noch weitere Möglichkeiten zur Verfügung, Oberflächen visuell anhand von fotographischen mit einer definierten Lichtquelle zu beurteilen. Weiters wird zur Erstellung von Oberflächenprofilen, meist zur Charakterisierung von Metalloberflächen, das Tastschnittverfahren angewendet. Bei diesem Verfahren besteht die Möglichkeit, mit Hilfe einer Tastspitze ein Oberflächenprofil zu definieren, wodurch zumindest linienhaft Aussagen über die Textur getroffen werden können. Dieses Verfahren eignet sich jedoch nicht für die im Bauwesen typischen Oberflächentexturen. Wesentlich besser können Oberflächen durch Erstellung eines digitalen Oberflächenmodells (DOM) charakterisiert werden. Hierzu können Verfahren wie Lasertriangulation oder stereoskopische Methoden angewendet werden [3.4-2].
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Bei der Ermittlung der Oberflächeneigenschaften wurde folgendermaßen vorgegangen: Einerseits sollte ein Verfahren angewendet werden, welches normativ geregelt ist und wo viele Erfahrungswerte vorliegen, und anderseits sollte mit einer weiteren Charakterisierungsmethode eine möglichst genaue Beschreibung der Oberflächenausbildung möglich sein. Daher wurde zur Charakterisierung der Oberfläche das verbreitete Sandflächenverfahren nach Kaufmann und zur Erstellung eines dreidimensionalen Oberflächenmodells ein stereoskopischen Verfahren herangezogen. Dadurch ist gewährleistet, dass Bezüge zu der normativ festgelegten Rautiefe hergestellt, jedoch mit dem stereoskopischen Verfahren ein Fülle von Oberflächeneigenschaften erfasst werden können.
3.4.1
Ermittlung der Oberflächentextur mit dem Sandflächenverfahren
Bei der Prüfung der Rautiefe mit dem Sandflächenverfahren nach Kaufmann wird eine definierte Menge (V) eines feinen Stoffes (Normensand, Glasperlen) auf eine trockene, saubere Oberfläche kegelförmig aufgeschüttet und mit einer runden Scheibe durch Drehbewegungen verteilt. Durch die ohne Druck ausgeführten Drehbewegungen soll eine möglichst runde Fläche entstehen, deren Durchmesser d durch mehrmaliges Messen und Mittelwertbildung erfasst wird. Die Rautiefe wird schlussendlich definiert als Höhe des gedachten zylindrischen Körpers mit dem so gemessenen Kreisdurchmesser d und dem Volumen des aufgetragenen Stoffes V (Normensand, Glasperlen) (vgl. Abbildung 13) [2.2-2]. Die Rautiefe Rt errechnet sich somit mit der in Gleichung 1 angegebenen Formel:
Rt
4 V d2
Gleichung 1
V Volumen des verwendeten Stoffes (Normensand, Glasperlen) [mm³] d mittlerer Durchmesser des erzeugten Kreises [mm]
Abbildung 13 zeigt schematisch die Bestimmung der Rautiefe R mit dem Sandflächenverfahren nach Kaufmann. Die Rautiefe Rt entspricht der Höhe eines fiktiven Zylinders mit dem Durchmesser D.
Abbildung 13: Definition der Rautiefe sowie Bestimmung [3.4-3] Dieses einfach anzuwendende Verfahren zur Bestimmung der Rautiefe wird für viele Anwendungsbereiche eingesetzt. Beispiele hierfür sind die Bestimmung der
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Oberflächenrauheit von Betonoberflächen vor Aufbringen von Abdichtungssystemen oder die Überprüfung einer geforderten Oberflächenrauheit vor dem Aufbringen von Verstärkungsbetonen. Die für den jeweiligen Anwendungsbereich genau definierte Versuchskonfiguration bzw. das zu verwendende Material sind [2.2-2, 3.4-4, 3.4-5] zu entnehmen. Im gegenständlichen Forschungsvorhaben erfolgte die Bestimmung der Rautiefe gemäß ÖNORM EN 1766 [2.2-2]. Die Ergebnisse der Bestimmung der Rautiefe sind in Tabelle 11 zusammengestellt.
Tabelle 11:
Bestimmung der mittleren Rautiefe Rt
Bezeichnung
glatt rau verzahnt
EW 1 D [cm] 1,11 1,71 3,95
Rautiefe EW 2 EW 3 D D [cm] [cm] 1,15 1,20 2,22 2,35 3,95 3,95
MW Rt [mm] 1,15 2,09 3,95
Rautiefe SOLL Min. Max. Rt Rt [cm] [cm] 0,3 0,8 1,5 2,0 2,0 4,0
Durch das Strahlen wurden die definierten Rautiefen, vor allem bei geringen Rautiefen (Verbundfuge glatt und rau) teilweise überschritten. Die grundsätzlich in RVS 15.02.34 [2.25] definierte Anforderungen für die Oberflächenvorbereitung von Fugen für Brücken mit Rautiefen ≥ 3 mm wird nur bei der Verbundfuge verzahnt erreicht. Trotz der exakt definierten Rautiefebereiche und der aufgrund der Laborversuche homogenen Betoneigenschaften kann eine durchgehend einheitliche Rautiefe nur schwer erreicht werden. Darüber hinaus werden die derzeit definierten Anforderungen an die Rautiefe gemäß [2.2-5] nur selten erfüllt. 3.4.2
Ermittlung der Oberflächentextur mit einem stereoskopischen Verfahren
Ziel der Ermittlung der Oberflächentextur mit dem stereoskopischen Verfahren war es, ein digitales Oberflächenmodell (DOM) der Oberflächentextur zu erstellen, damit möglichst viele Oberflächenparameter bestimmt werden können, die in Relation zu den Verbundeigenschaften gesetzt werden können. Das Oberflächenmodell basiert in einem unterschiedlichen Winkel aufgenommener Bildern, analog der photogrammetrischen Erfassung der Erdoberfläche. Das im Rahmen der Untersuchungen angewandte Verfahren wurde ursprünglich zur Erstellung von stereoskopischen Rasterelektronenmikroskop-Bildern entwickelt und für die Messung von Baustoffoberflächen adaptiert. Die Auswertung und Errechnung der Oberflächenkennwerte erfolgte mit der Software MeX [3.4-6]. Abbildung 14 zeigt den verwendeten Messrahmen, der es erlaubt, mit einer Digitalkamera zwei um wenige Grad verkippte Aufnahmen bei optimaler Beleuchtung zu erstellen.
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Abbildung 14: Versuchskonfiguration zur Bestimmung von Oberflächenparametern mit dem stereooptischen Verfahren [3.4-3] Datengrundlage für die Erstellung dreidimensionaler Bilder von Baustoffoberflächen sind zwei um einen definierten Winkel um die Koordinatenachse verkippte Bilder. Durch den Vergleich von einzelnen verschobenen Bildpunkten kann durch mathematische Berechnungen die genaue Höhenlage jedes Punktes bestimmt werden. Die Auswertealgorithmen der Software erkennen für einzelne Bildpunkte auf der Probenoberfläche die jeweils korrespondierenden Bildpunkte in den beiden Stereobildern. Mit Hilfe dieser Information können die XYZ – Koordinaten jedes einzelnen Punktes der Probe berechnet werden, sodass eine vollständige dreidimensionale Rekonstruktion des betrachteten Probeausschnitts entsteht. Jede zu untersuchende Oberfläche wurde zur Ermittlung der Oberflächeneigenschaften mit zwei 10 ° aus der Lotrechten verkippten Bildern aufgenommen. Abbildung 15 zeigt ein dreidimensionales Oberflächenmodell (DOM), auf dessen Basis die unterschiedlichen Parameter zur Beschreibung der Oberflächentextur ermittelt wurden. Eine Zusammenstellung aller dreidimensionalen Oberflächenmodelle ist ANHANG A zu entnehmen.
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Abbildung 15: Dreidimensionales Oberflächenmodell einer analysierten Fläche
Die Auswertung der Oberflächeneigenschaften erfolgte grundsätzlich auf Basis des DOMs gemäß EN ISO 4287 [3.4-7]. Die Auswertung gemäß dieser Norm basiert auf der Ermittlung von Oberflächenprofilen mit dem Tastschnittverfahren, es besteht jedoch auch die Möglichkeit, diese Parameter auf die Bestimmung von Oberflächenkenngrößen anhand eines DOMs umzulegen [3.4-6]. Wesentliche Elemente der Oberflächencharakterisierung stellen die Profil-, Flächen- und Volumenkenngrößen dar. Dabei werden unterschiedlichste Oberflächenparameter ermittelt, indem die Werkstoffoberfläche fiktiv durch eine –Ebene (Profilkenngrößen) oder mehrere Ebenen (Flächenkenngrößen) geschnitten wird oder das Volumen unter Begrenzungsebenen (Volumenkenngrößen) ermittelt wird. Im Folgenden sind die wichtigsten Kennwerte der Profilanalysen, der Flächenanalyse sowie der Volumenanalyse erklärt. Die Parameter der Flächenanalyse werden durch ein engmaschiges Netz an Längs- und Querprofilen ermittelt und können daher auf die Kennwerte der Profilanalyse zurückgeführt werden. Profilanalyse Die Profilanalyse berechnet unterschiedliche Parameter anhand einer auf der Probe frei definierbaren Linie und stellt diese grafisch dar. Abbildung 16 zeigt typische Parameter der Profilanalyse
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Abbildung 16: Typische Parameter der Profilanalyse [24] Mit Hilfe der Profilanalyse gemäß [3.4-6] werden folgende, unterschiedliche und in Tabelle 12 zusammengestellte Oberflächenparameter ermittelt. Eine genaue Zusammenstellung und Beschreibung der Parameter ist ebenso [3.4-6, 3.4-7] zu entnehmen. Tabelle 12: Parameter Pa Pq Pz Pt Pmax Pp Pv Pc Pk Ppk Pvk Pmr1 Pmr2
Parameter des Primärprofils P Beschreibung Mittlere Höhe des Profils Quadratische Höhe des Profils Gesamthöhe des Primärprofils Gemittelte Höhe des Primärprofils Maximale Höhe des Primärprofils Höhe der größten Profilspitze des Primärprofils Tiefe des größten Profiltales des Primärprofils Mittlere Höhe der Profilunregelmäßigkeit des Primärprofils Kernrautiefe, Höhe des Kernbereichs des Primärprofils Reduzierte Spitzenhöhe, mittlere Höhe der über Kernbereich herausragenden Spitzen Reduzierte Riefentiefe, mittlere Tiefe der unter Kernbereich befindlichen Profiltäler Materialanteil, Anteil der Oberfläche der Spitzen über dem Kernbereich Materialanteil, Anteil der Oberfläche der die Last trägt
Die Parameter Pp, Pv und Pz ergeben sich aus den Abständen der höchsten Profilspitzen bzw. tiefsten Profiltälern zur Mittellinie gemäß Abbildung 16.
Abbildung 17: Definition von Pp, Pv und Pz bzw [24 nach 14] Die mittlere Höhe der Profilelemente Pc errechnet sich aus der Summe aller
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Höhendifferenzen der Profilelemente innerhalb einer Einzelmessstrecke. Die Profilordinate Pa ergibt sich aus dem arithmetischen Mittelwert der absoluten Werte der Profilabweichungen innerhalb einer Einzelmessstrecke gemäß Abbildung 18. Pt ergibt sich, wenn Pz über mehrere Einzelmessstrecken gemittelt wird. Der Parameter Pmax ist diesen Kennwerten sehr ähnlich, findet jedoch Extremwerte von einer Spitze und eines Tals, die räumlich sehr eng beieinander liegen.
Abbildung 18: Definition von Pa Primärprofil [3.4-3 nach 3.4-6]
Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, die Parameter Pk, Ppk, Pvk, Pmr1 und Pmr2 aus der Traglastkurve gemäß Abbildung 19 ermitteln. Hierzu erfolgt die normkonforme Anpassung der blauen Linie an die rote Traglastkurve und durch Ermittlung der Schnittpunkte der blauen Linie mit den Vertikallinien bei 0 % und 100 % können die Parameter Pk, Ppk und Pvk sowie Pmr1 und Pmr2 ermittelt werden. Je nachdem, ob die Oberfläche des untersuchten Werkstoffes aus wenigen Spitzen oder großen Flächen mit vereinzelten Einschnitten gebildet wird, verändert sich die Traglastkurve der untersuchten Oberfläche. Gemäß Abbildung 19 können aus der Traglastkurve Information über die maximale Höhe der Spitzen (1), die Spitzenfläche (2), die Talflächen sowie die minimale Tiefe der Täler bestimmt werden. Abschnitt (3) entspricht gemäß Abbildung 19 40 % der minimalen Steigung. Tiefe
Abbildung 19: Traglastkurve und deren Parameter, Abszisse entspricht der Traglastfläche, die Ordinate beschreibt die Tiefe der Profilunebenheiten [3.4-6]
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Flächenanalyse Nachdem die Analyse an nur einem Profil nur ungenügende Aussagen über die Beschaffenheit einer Oberflächen zeigt, bietet die Flächenanalyse die Möglichkeit, durch Anordnung einer großen Zahl von Oberflächenprofilen in Längs- und Querrichtung vertiefende Aussagen über die Textur von Oberflächen zu liefern. Die Parameter der Flächenanalyse basieren durchwegs auf jenen der Profilanalyse, da sie mit gleichem Schema an einer weit höheren Anzahl an Einzelmessstrecken bestimmt werden. Tabelle 13: Parameter Sa Sq Sp Sv Sz S10z Sdr Sk Spk Svk Smr1 Smr2 Vmp Vmc Vvc Vvv
Parameter der Flächenanalyse Beschreibung Arithmetischer Mittelwert der Höhen Quadratischer Mittelwert der Höhen Größte Höhe Größte Tiefe Maximale Höhe der ausgewählten Fläche Zehn-Punkt-Höhe der ausgewählten Fläche Verhältnis des Überschusses der wahren Fläche zur projizierten Fläche Kernrautiefe, Höhe des Kernbereichs Reduzierte Spitzenhöhe, mittlere Höhe der über Kernbereich herausragenden Spitzen Reduzierte Riefentiefe, mittlere Tiefe der unter Kernbereich befindlichen Profiltäler Materialanteil, Anteil der Oberfläche der Spitzen über dem Kernbereich Materialanteil, Anteil der Oberfläche der die Last trägt Materialvolumen der obersten Spitzen Materialvolumen des Kernbereichs Leervolumen des Kernbereichs Leervolumen der Täler einer Oberfläche
Auf Basis der Flächenanalyse werden Parameter der Oberflächentextur mit Hilfe eines engmaschigen Gitternetzes aus Längs- und Querprofilen ermittelt. Dadurch besteht die Möglichkeit, Volumenanteile des Materials der obersten Spitzen (Vmp) bzw. des Kernbereiches (Vmc) und Leervolumenanteile des Kernbereiches (Vvc) bzw. der tiefsten Täler (Vvv) abzuschätzen. Diese Materialanteile sind in Abbildung 20 sowohl in einem fiktiven Profil (fiktiv, da die Analyse der gesamten Fläche erfolgt) als auch in der Traglastflächenkurve dargestellt.
Abbildung 20: Schematische Darstellung eines Profils mit errechneten Volumenanteilen des Materials bzw. Leervolumenanteile sowie zugehörige Traglastflächenkurve [3.4-3]
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Volumenanalyse Im Rahmen der Volumenanalyse können zwar keine klassischen Oberflächenparameter ermittelt werden, aber dieses Tool bietet die Möglichkeit, eine fiktive Ebene in das Oberflächenmodell zu legen. Dadurch können Volumen zwischen der Baustoffoberfläche und der beliebig eingezogenen Ebene berechnet werden. Dabei werden unterschiedliche Referenzebenen gewählt und das Volumen zwischen Referenzebene und Oberflächenmodell ermittelt. Mit Hilfe dieses Verfahrens kann somit die Bestimmung der Rautiefe mittels Sandflächenverfahren nach Kaufmann simuliert werden. Abbildung 21 zeigt exemplarisch ein dreidimensionales Oberflächenmodell mit der Schnittebene als Referenzebene.
Abbildung 21: Dreidimensional dargestellte Oberflächen der Volumenanalyse
Auf Basis der Oberflächenmodelle erfolgte die Ermittlung der Parameter für alle Probekörper im Rahmen von Profil-, Flächen- und Volumenanalyse. Die ermittelten Parameter sind in Tabelle 14 bis Tabelle 16 zusammengestellt. Eine Zusammenstellung aller dreidimensionalen Oberflächenmodelle ist ANHANG A zu entnehmen.
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Tabelle 14: Versuchsplatte
OF1 OF2 OF3 OF4 OF5 OF6 OF7 OF8 OF9 OF10 OF11 OF12 OF13 OF14 OF15 OF16 OF17 OF18 OF19 OF20 OF21
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Ermittelte Parameter der Profilanalyse der Probekörper für Verbundprüfung Oberfläche
glatt
rau
verzahnt
Profilananlyse Ra
Rq
Rt
Rz
0.58 0.15 0.20 0.16 0.27 0.25 0.35 0.42 0.49 0.70 0.74 0.45 0.78 0.50 1.01 1.38 0.82 0.84 1.04 1.08 0.93
0.72 0.20 0.25 0.20 0.34 0.36 0.42 0.51 0.59 0.88 0.87 0.57 0.94 0.63 1.18 1.71 1.01 1.01 1.29 1.26 1.11
3.25 1.09 1.32 1.09 1.66 2.48 2.01 2.56 3.35 4.41 3.70 2.86 4.27 3.12 5.36 7.63 4.31 4.67 5.69 4.87 4.80
2.72 0.73 0.90 0.74 1.20 1.30 1.47 1.93 2.15 3.41 3.17 2.31 3.15 2.33 3.86 5.54 3.57 3.54 4.37 3.92 3.70
Rmax
3.06 1.09 1.32 1.01 1.66 1.91 1.65 2.39 3.35 4.23 3.47 2.58 4.27 3.12 5.36 7.63 4.27 4.67 4.98 4.87 4.80
Rp
Rv
Rc
Rsm
Rsk
Rku
[mm] 1.44 0.49 0.61 0.56 1.00 0.82 0.92 1.31 1.62 1.97 1.81 1.37 1.99 1.75 2.39 3.64 2.35 2.31 2.42 2.58 2.06
1.81 0.60 0.71 0.54 0.66 1.66 1.09 1.25 1.73 2.44 1.89 1.49 2.28 1.37 2.97 4.00 1.96 2.37 3.27 2.29 2.73
1.82 0.57 0.74 0.62 1.03 1.18 1.07 1.38 1.62 2.84 2.66 1.80 2.72 1.78 3.93 5.71 3.49 2.96 3.46 3.57 3.12
13.67 7.21 5.63 6.89 7.89 10.91 5.33 6.89 6.83 8.11 8.01 8.12 7.61 7.59 16.01 13.88 13.58 9.11 9.00 13.40 11.20
-0.17 -0.57 0.04 0.03 0.87 -1.29 -0.07 0.20 0.10 -0.39 -0.08 0.27 0.07 0.40 -0.49 0.20 0.42 -0.02 -0.47 0.01 -0.41
2.38 3.70 2.72 2.91 3.25 7.09 2.37 2.62 2.80 3.01 2.03 2.78 2.40 2.76 2.28 2.49 2.49 2.42 2.59 1.88 2.19
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Tabelle 15: Versuchs -platte
OF1 OF2 OF3 OF4 OF5 OF6 OF7 OF8 OF9 OF10 OF11 OF12 OF13 OF14 OF15 OF16 OF17 OF18 OF19 OF20 OF21
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Ermittelte Parameter der Flächenanalyse der Probekörper für Verbundprüfung Oberfläche
glatt
rau
verzahnt
Flächenanalyse Sa
0.47 0.19 0.39 0.19 0.42 0.31 0.42 0.65 0.66 0.85 0.78 0.58 1.04 0.71 1.21 1.38 1.23 1.33 1.21 1.68 1.90
Sq
0.60 0.25 0.52 0.26 0.54 0.41 0.54 0.84 0.84 1.06 0.97 0.75 1.29 0.89 1.49 1.69 1.51 1.61 1.51 2.06 2.30
Sp
2.39 1.14 2.50 1.30 2.34 1.68 2.17 3.01 3.11 3.82 3.35 3.45 4.91 3.21 5.30 5.32 4.75 5.60 4.99 5.65 7.63
Sv
2.67 1.58 3.30 2.29 2.23 2.82 3.06 4.70 4.01 4.17 4.95 4.90 4.61 3.65 5.07 5.73 5.01 6.61 5.00 6.05 7.96
Sz
[mm] 5.06 2.71 5.80 3.59 4.57 4.50 5.22 7.70 7.12 7.99 8.30 8.35 9.52 6.87 10.37 11.05 9.77 12.22 9.99 11.70 15.59
S10z
4.73 2.58 5.68 3.16 4.42 4.34 5.10 7.53 6.88 7.77 8.18 7.95 9.34 6.68 10.01 10.87 9.69 10.46 9.93 11.62 14.81
Ssk
0.06 -0.27 -0.48 -0.67 0.26 -0.56 -0.08 -0.06 -0.16 -0.03 -0.05 -0.14 0.05 0.02 0.17 0.06 -0.11 0.06 0.32 0.13 -0.09
Sku
Sdr
3.32 4.61 5.06 5.31 3.32 4.70 3.66 3.58 3.30 2.86 2.99 3.93 2.85 3.04 2.63 2.58 2.56 2.49 2.82 2.45 2.48
[%] 26.51 12.08 32.24 16.78 29.29 26.62 32.86 51.46 52.94 68.16 59.52 50.04 82.83 48.35 85.49 96.31 91.16 85.18 87.01 93.43 98.03
Sk
Spk
1.48 0.56 1.19 0.57 1.34 0.94 1.26 2.03 2.10 2.81 2.59 1.80 3.50 2.34 3.98 4.68 4.29 4.62 3.77 5.43 6.68
[mm] 0.69 0.28 0.52 0.23 0.63 0.38 0.60 0.88 0.78 0.92 0.82 0.73 1.17 0.83 1.32 1.44 1.03 1.20 1.72 1.77 1.51
Svk
Smr1
Smr2
0.59 0.35 0.74 0.37 0.47 0.56 0.64 0.93 0.91 0.96 0.94 0.85 1.11 0.84 1.11 1.23 1.27 1.11 1.06 1.46 1.68
[%] 10.28 89.81 11.28 88.55 9.99 89.06 9.38 86.94 11.68 91.67 10.14 88.26 11.46 89.01 12.12 90.65 10.50 89.90 9.70 90.67 10.69 92.24 11.86 90.00 9.16 91.82 10.19 91.76 12.02 92.96 9.19 91.60 7.34 91.66 8.99 93.59 14.29 92.49 13.94 93.07 7.40 91.86
Vmp
34.45 13.95 26.21 11.70 30.84 19.00 29.08 41.95 38.21 46.25 40.14 35.31 59.02 41.39 60.56 74.49 57.24 62.28 73.43 68.68 86.20
Vmc
Vvc
[ml/m²] 517.50 709.22 202.52 284.81 420.10 569.03 209.43 268.15 468.06 674.55 340.60 453.49 455.82 641.14 717.15 1039.60 730.59 1014.00 974.31 1322.10 881.41 1237.60 639.83 910.31 1169.90 1594.70 797.61 1111.60 1365.40 1989.10 1613.80 2145.60 1427.70 1834.10 1541.30 2088.30 1342.80 2089.70 1913.50 2891.80 2232.50 2866.80
Vvv
68.56 34.45 71.24 37.96 53.23 56.75 67.24 96.62 100.79 115.52 103.22 90.13 136.07 93.96 140.30 166.94 162.80 148.59 137.27 187.72 235.29
FFG Projekt Nr. 846986: Hochfester Beton als Aufbeton im Bestand und Neubau - Aufbetonschichten
Tabelle 16: Versuchs -platte
Ermittelte Parameter der Volumenanalyse Oberfläche
Volumenanalyse Rt rechn. EW
OF1 OF2 OF3 OF4 OF5 OF6 OF7 OF8 OF9 OF10 OF11 OF12 OF13 OF14 OF15 OF16 OF17 OF18 OF19 OF20 OF21
glatt
rau
verzahnt
Rt rechn. MW [mm]
1.68 0.73 0.97 0.47 1.17 0.76 1.06 1.70 1.53 1.93 1.81 1.37 2.38 1.65 2.69 3.48 2.92 2.88 3.14 2.94 3.30
Rt Sandflächenverf. MW
0.98
1,15
1.77
2,09
3.05
3,95
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3.5
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Ermittlung der Verbundeigenschaften
Die Ermittlung der Verbundeigenschaften zwischen Unterbeton und Aufbeton erfolgte durch Bestimmung der Haftzugfestigkeit sowie durch Ermittlung von bruchmechanischen Kennwerten mit der Keilspaltmethode. 3.5.1
Haftzugfestigkeit
Die Prüfung der Haftzugfestigkeit des Verbundes zwischen Unter- und Aufbeton erfolgte gemäß ONR 23303 [2.2-3]. Zur Bestimmung der Haftzugfestigkeit wurde mit einem Kernbohrgerät (Innendurchmesser 50 mm) über die gesamte Dicke der Aufbetonschicht und darüber hinaus etwa 2 cm in die Unterbetonschicht gebohrt. Nach Trockenlegung der Prüfflächen wurden Stahlstempel (Durchmesser 50 mm) mit einem Zweikomponentenkleber aufgeklebt. Nach der Aushärtezeit erfolgte die Bestimmung der Haftzugfestigkeit durch zentrisches Abziehen des Stahlstempels unter konstanter Belastungsgeschwindigkeit (0,1 N/mm² pro sec). Die ermittelten Haftzugfestigkeiten sind in Tabelle 17 zusammengestellt. Tabelle 17:
Ergebnisse der Prüfung der Haftzugfestigkeit EW 1 3,80 2,19 3,37 4,50 3,83 4,61 2,85 3,80 3,71
Haftzugfestigkeit σHZ [N/mm“] EW2 EW 3 EW 4 EW 5 2,44 3,85 3,29 3,43 3,51 3,23 3,86 4,46 3,13 3,36 3,21 2,99 3,73 4,42 3,90 2,90 3,01 4,26 3,33 4,53 4,13 2,46 2,96 2,99 4,65 3,25 3,75 3,21 3,69 4,00 3,51 3,36 2,97 4,42 3,05 2,51
MW 3,36 3,45 3,21 3,89 3,79 3,43 3,54 3,67 3,33
Verzahnt – nass in nass
3,57 2,40
4,27 2,33
2,06 2,86
2,83 2,70
2,86 2,46
3,12 2,56
Beton homogen B5
3,21
3,42
3,39
4,04
3,89
3,59
Beton homogen HL-B
4,09
4,04
3,98
4,56
4,03
4,13
Oberfläche glatt - mattfeucht glatt – feucht glatt - nass rau – mattfeucht rau – feucht rau – nass verzahnt – mattfeucht verzahnt feucht verzahnt nass glatt - nass in nass
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Die ermittelten Ergebnisse zeigen, dass tendenziell die höchsten Haftzugfestigkeiten bei der mattfeuchten Oberfläche bzw. bei der verzahnten Oberfläche erreicht wurden. Ein Problem der Bestimmung der Haftzugfestigkeit ist, dass ein Versagen in der Verbundfuge nicht kontrolliert gesteuert werden kann und es an einem beliebigen Ort des Bohrkerns (z. B. durch Kerbwirkung bei einer Fehlstelle oder durch nicht exakt exzentrische Lasteinleitung) zu einem Versagen kommt. Weiters ist als Nachteil anzuführen, dass die Aussagekraft dieser Bestimmung relativ gering ist, da nur die maximal aufnehmbare Kraft (Fmax) und nicht die zur jeweiligen Kraft auftretende Verschiebung erfasst werden kann. Abbildung 22 zeigt ein theoretisches Kraft-Verschiebungsdiagramm - theoretisch, weil aufgrund von instabilem Risswachstum der Weg bis zum Versagen (strichlierte Linie in der Abbildung) in der Regel nicht aufgezeichnet werden kann. Es erfolgt lediglich die Ermittlung der maximal aufnehmbaren Kraft, wodurch keine bruchmechanischen Aussagen über das Versagensverhalten getätigt werden können.
Abbildung 22: Theoretisches Kraft-Verschiebungsdiagramm Haftzugfestigkeit [24] 3.5.2
bei
der
Prüfung
der
Bruchmechanische Kennwerte
Die Bestimmung der Kerb-Spaltzugfestigkeit und der spezifischen Bruchenergie erfolgte gemäß Entwurf ÖNORM B 3592 [3.5-1]. Hierzu wurden Probekörper mit Seitenlängen von 10 cm aus den jeweiligen Oberflächen entnommen. Nach der Probenvorbereitung (Schneiden der Starterkerbe, Aufkleben der Lasteinleitungsplatten) werden die Probekörper in einer Prüfvorrichtung belastet. Im Zuge der Prüfung erfolgt die Aufzeichnung eines Last-Verschiebungsdiagramms bis zum vollkommenen Aufspalten der Probe. Der Keilwinkel betrug für alle untersuchten Bohrkerne 15°. Abbildung 23 zeigt eine Systemskizze der Prüfung von Interfaces gemäß [3.5-1].
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Abbildung 23: Systemskizze zur Prüfung von Verbundwerkstoffen mit der Keilspaltmethode [3.5-1] Im Gegensatz zur Haftzugprüfung (vgl. Abbildung 22) kann bei der Keilspaltprüfung ein vollständiges Spaltkraft-Verschiebungsdiagramm aufgezeichnet werden. Ein solches Diagramm ist Abbildung 24 zu entnehmen.
Abbildung 24: Typisches Spaltkraft-Verschiebungsdiagramm [3.5-1] Auf Grundlage dieses Diagrammes können die bruchmechanischen Kennwerte KerbSpaltzugfestigkeit σKZ und die spezifische Bruchenergie GF ermittelt werden. Während die KerbSpaltzugfestigkeit in Korrelation zur einaxialen Zugfestigkeit bzw. Haftzugfestigkeit gesetzt werden kann, entspricht die spezifische Bruchenergie jener Gesamtarbeit die zum Aufspalten des Interface aufgewendet werden muss. In Tabelle 18 bzw. Tabelle 19 sind die Ergebnisse der Bestimmung der bruchmechanischen Kennwerte für die Verbundfuge der Systeme Brückenbau bzw. Tunnelbau zusammengefasst. Darüber hinaus wurden ebenso die bruchmechanischen Kennwerte des homogenen Betons (C30/37/F45/GK16/B5 und C60/75/GK16/F45/HL-B) ermittelt.
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Tabelle 18:
Ergebnisse der Bestimmung der bruchmechanischen Kennwerte – KerbSpaltzugfestigkeit σKZ
Oberfläche glatt - mattfeucht glatt – feucht glatt - nass rau – mattfeucht rau – feucht rau – nass verzahnt – mattfeucht verzahnt feucht verzahnt nass
EW 1 3,62 4,14 4,40 3,51 5,06 3,53 3,52 4,40 4,36
Kerb-Spaltzugfestigkeit σKZ [N/mm“] EW2 EW 3 EW 4 EW 5 3,24 40,7 3,66 3,61 3,17 3,91 3,22 3,55 3,38 3,87 3,52 2,86 4,00 4,60 4,24 3,37 5,12 3,90 3,67 4,65 4,11 3,64 3,28 3,94 3,90 4,17 4,19 3,75 3,94 3,82 4,352 4,15 3,85 4,07 4,27 3,84
verzahnt – nass in nass
3,56 3,10
3,13 3,11
4,04 3,41
Beton homogen B5
4,58
4,55
4,75
Beton homogen HL-B
5,04
4,54
glatt - nass in nass
Tabelle 19:
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2,81 3,38
3,11 4,20
MW 3,64 3,60 3,61 3,94 4,48 3,70 3,91 4,17 4,08 3,33 3,44 4,62 4,79
Ergebnisse der Bestimmung der bruchmechanischen Kennwerte – spezifische Bruchenergie GF
Oberfläche glatt - mattfeucht glatt – feucht glatt - nass rau – mattfeucht rau – feucht rau – nass verzahnt – mattfeucht verzahnt feucht verzahnt nass
EW 1 124 116 121 104 141 95 133 132 124
spez. Bruchenergie GF [N/m] EW2 EW 3 EW 4 EW 5 102 117 113 109 90 110 110 106 101 118 91 85 133 125 139 118 149 95 98 141 133 118 91 101 152 119 129 115 116 108 120 122 105 107 135 97
verzahnt – nass in nass
101 104
76 96
113 103
Beton homogen B5
155
154
152
Beton homogen HL-B
169
136
glatt - nass in nass
87 101
79 121
MW 113 106 103 124 125 108 130 120 114 91 105 154 153
Die Ergebnisse gemäß Tabelle 18 zeigen, dass die Kerbspaltzugfestigkeit für die raue und verzahnte Fuge über jenen der glatten Verbundfuge liegen. Ein ähnlicher Zusammenhang wurde bei der Bestimmung der spezifischen Bruchenergie gemäß Tabelle 19 festgestellt. Ein großer Einfluss der Oberflächenbehandlung mattfeucht, feucht und nass ist nicht zu erkennen. Die Bandbreite dieser Behandlungsmethoden liegt jedoch in der Bandbreite der zu erwartenden Oberflächenzustände bei Betoneinbau.
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4
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Einflussparameter auf die Verbundeigenschaften
Wesentlich zur Festlegung von Eingangswerten für zukünftige Bemessungsregeln war, die Einflussparameter auf die resultierenden Verbundeigenschaften zu untersuchen sowie mögliche Bandbreiten der zu erzielenden Verbundfestigkeiten feststellen zu können. Bei dieser Gegenüberstellung sollten bereits bekannte Bestimmungsmethoden der Oberflächen bzw. Verbundcharakterisierung angewandt bzw. die damit ermittelten Verbundkennwerte erfasst und die ermittelten Kennwerte auch jenen von neuen aufwendigeren Versuchskonfigurationen gegenübergestellt werden. Ein wesentlicher Kern der Untersuchungen war die Ermittlung der Oberflächeneigenschaften am digitalen Oberflächenmodell sowie die Ermittlung der Verbundeigenschaften mit der Keilspaltmethode.
4.1
Rautiefe und Verbundeigenschaften
Im Rahmen der Versuchsdurchführung wurden drei typische Rautiefenbereiche mit glatt, rau und verzahnt festgelegt. Die definierten Rautiefebereiche sowie die mittleren erzielten Rautiefen sind in Abbildung 25 dargestellt.
Abbildung 25: Definierte und erzielte Rautiefe Rt
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Abbildung 25 zeigt, dass generell tendenziell höhere Rautiefen erreicht wurden als ursprünglich bei der Versuchskonfiguration geplant war. Dies spiegelt auch die baupraktische Umsetzbarkeit wieder, da hier, je nach Betonbeschaffenheit, unterschiedlichste Rautiefen erreicht werden. 4.1.1
Einfluss der Oberflächenrauheit
In jeden der drei Klassenbereiche der Rautiefe von glatt, rau und verzahnt erfolgte die Ermittlung der Verbundeigenschaften durch Bestimmung der Haftzugfestigkeit sowie der bruchmechanischen Kennwerte Kerbspaltzugfestigkeit und spezifische Bruchenergie. Darüber hinaus wurden die Oberflächen vor der Aufbringung des Aufbetons in drei Intensitäten von mattfeucht, feucht und nass zur Erzielung besserer Verbundeigenschaften vorgenässt. Abbildung 26 zeigt die Haftzugfestigkeit der unterschiedlichen untersuchten Oberflächentypen im Vergleich zu homogenen Ober- bzw. Unterbeton bzw. zu den Einbaumöglichkeiten nass in nass glatt bzw. aufgeraut. Die Versuche zeigen deutlich, dass die höchsten Haftzugfestigkeiten bei den rauen Verbundfugen erreicht werden. Der Einbau nass in nass zeigt deutlich geringere Haftzugfestigkeiten als die durch Hochdruckwasserstrahlen behandelten Verbundfugen mit Altbeton. Dies dürfte darauf zurückzuführen sein, dass durch die Wartezeit von knapp zwei Stunden bereits oberflächlich ein Austrocknungsprozess gestartet ist und dies zu einer Störungszone (Sollbruchstelle) in den oberflächennähen Schichten des Unterbetons führte. Im Vergleich zu den Haftzugfestigkeiten des homogenen Betons wird deutlich, dass bei einer rauen Verbundfuge nahezu die gleichen Festigkeiten erreicht werden wie beim Unterbeton. Bei Betrachtung dieser Prüfmethode ist eine entscheidende weitere Optimierung der Verbundfuge durch bessere Oberflächenbearbeitung nicht möglich.
Abbildung 26: Haftzugfestigkeit σHZ der untersuchten Oberflächen im Vergleich zu homogenen Ober- bzw. Unterbeton und einer Einbringung nass in Nass
Abbildung 27 zeigt die Kerb-Spaltzugfestigkeit der unterschiedlichen untersuchten Oberflächentypen im Vergleich zu homogenen Ober- bzw. Unterbeton bzw. zu den
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Einbaumöglichkeiten nass in nass glatt bzw. aufgeraut. Auch hier wird deutlich, dass die Prüfwerte des homogenen Betons merkbar über jenen der aufgerauten Verbundfuge bzw. der Methode nass in nass liegen. Durch die Ermittlung der Kerbspaltzugfestigkeit konnte gezeigt werden, dass zumindest, durch entsprechende Oberflächenvorbereitung rau und verzahnt, etwa 80 % der Festigkeitswerte von homogenem Beton erreicht werden können.
Abbildung 27: Kerb-Spaltzugfestigkeit σKZ der untersuchten Oberflächen im Vergleich zu homogenen Ober- bzw. Unterbeton und einer Einbringung nass in Nass Abbildung 27 zeigt die spezifische Bruchenergie der unterschiedlichen untersuchten Oberflächentypen im Vergleich zu homogenen Ober- bzw. Unterbeton bzw. zu den Einbaumöglichkeiten nass in nass glatt bzw. aufgeraut. Die Zusammenhänge sind grundsätzlich ähnlich zu den vorigen Abbildungen wobei bei der spezifischen Bruchenergie der gefrästen Oberflächen ein leicht höherer Abfall im Vergleich zu den homogenen Oberflächen festgestellt wurde. Das System nass in nass zeigt wiederum die geringsten Werte.
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Abbildung 28: Spezifische Bruchenergie GF der untersuchten Oberflächen im Vergleich zu homogenen Ober- bzw. Unterbeton und einer Einbringung nass in Nass
4.1.2
Einfluss des Oberflächenzustandes
Neben der Zuordnung der Verbundeigenschaften zur Oberflächenbehandlung erfolgt auch eine Gegenüberstellung der Verbundeigenschaften mit drei Oberflächenzuständen mattfeucht, feucht und nass. Diese Zusammenhänge sind in Abbildung 29 für die Haftzugfestigkeit, in Abbildung 30 für die Kerbspaltzugfestigkeit und in Abbildung 32 für die spezifische Bruchenergie zusammengestellt.
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Abbildung 29: Haftzugfestigkeit σHZ der untersuchten Oberflächen Oberflächenzuständen mattfeucht, feucht und nass
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in
Relation
zu
Abbildung 30: Kerb-Spaltzugfestigkeit σKZ der untersuchten Oberflächen in Relation zu Oberflächenzuständen mattfeucht, feucht und nass
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Abbildung 31: Spezifische Bruchenergie GF der untersuchten Oberflächen in Relation zu Oberflächenzuständen mattfeucht, feucht und nass Aus obigen Abbildungen ist zu erkennen, dass sich die unterschiedlichen Oberflächenzustände kaum auf die Verbundeigenschaften auswirken. Tendenziell ist zu erkennen, dass nasse Oberflächen geringere Verbundfestigkeiten liefern als die restlichen Oberflächenzustände. Baupraktisch decken diese Versuche sicher eine gewisse Bandbreite von möglichen Oberflächenzuständen ab.
4.2
Parameter aus dem Oberflächenmodell und Verbundeigenschaften
Zur Herstellung von Zusammenhängen von Oberflächen- und Verbundeigenschaften wurden unterschiedliche Parameter aus dem digitalen Oberflächenmodell ausgewertet und den Verbundeigenschaften gegenübergestellt. Grundsätzlich können die Oberflächeneigenschaften mit der Flächenanalyse besser beschrieben werden. Daher erfolgte als erster Schritt die Gegenüberstellung der unterschiedliche Parameter aus dem Oberflächenmodell (hier im speziellen Parameter der Flächenanalyse) und den Verbundeigenschaften. Die Ermittlung der Oberflächenmodelle erfolgte grundsätzlich an allen Flächen. Diese diente dazu, um die Streubreite der unterschiedlichen Parameter des Oberflächenmodells zu ermitteln. Eine Gegenüberstellung Oberflächeneigenschaften mit den Verbundkennwerten erfolgte jeweils an den Platten, wo auch die Proben für die unterschiedlichen Prüfungen entnommen wurden. Die Auswahl der Oberflächenkenngrößen erfolgte auf Basis bisheriger Erkenntnisse bzw. aufgrund der ermittelten besten Korrelation mit den Verbundkennwerten. Eine Gegenüberstellung der Verbundkennwerte mit ausgewählten Parametern der Flächenanalyse ist Abbildung 32, Abbildung 33 und Abbildung 34 zu entnehmen.
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Abbildung 32: Zusammenhänge zwischen Parametern (Flächenanalyse) und Haftzugfestigkeit σHZ
aus
dem
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Oberflächenmodell
Abbildung 32 zeigt, dass zwischen den ausgewählten Parametern der Flächenanalyse Sa (arithmetischer Mittelwert der Höhen), Sq (quadratischer Mittelwert der Höhen), Sq (größte Hohe), Sp (Höhe des größten Oberflächenpunktes), Sv (Tiefe des niedrigsten Oberflächenpunktes, Sz (Maximalhöhe der Fläche und S10z (mittlerer Spitzenwert aus den zehn größten Spitzen) keine Zusammenhänge mit der Haftzugfestigkeit gefunden werden könnten. Dies zeigt, dass die Bestimmung der Haftzugfestigkeit nur ungenügende Aussagen über die Verbundeigenschaften von Beton-Beton-Verbundbaustoffen in Relation zur Oberflächenbeschaffenheit liefert.
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Abbildung 33: Zusammenhänge zwischen Parametern aus (Flächenanalyse) und Kerb-Spaltzugfestigkeit σKZ
dem
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Oberflächenmodell
Abbildung 34: Zusammenhänge zwischen Parametern aus dem Oberflächenmodell (Flächenanalyse) und spezifischer Bruchenergie GF
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Abbildung 33 und Abbildung 34 zeigen, dass tendenziell mit steigendem Mittelwert der Höhen (Sa bzw. Sp) bzw. Sp und S10z auch die bruchmechanischen Kennwerte KerbSpaltzugfestigkeit und spezifische Bruchenergie höher sind. Um jedoch eindeutiger abschätzen zu können welche der bestimmten Parameter des Oberflächenmodells am besten mit den Verbundeigenschaften in Relation gebracht werden können, erfolgte die Ermittlung von Korrelationskoeffizienten zwischen der KerbSpaltzugfestigkeit, der spezifischen Bruchenergie, der Haftzugfestigkeit und den jeweiligen Parameter der Profil-, Flächen und Volumenanalyse. Mit den errechneten Korrelationskoeffizienten lässt sich feststellen, ob eine Beziehung zwischen zwei Größen vorhanden ist. Beträgt der Korrelationskoeffizient von zwei Zufallsgrößen 0,7 bis 0,9 wird von einer hohen Korrelation, darüber hinaus von einer sehr hohen Korrelation ausgegangen [24]. Die ermittelten Korrelationskoeffizienten sind Tabelle 20für die Profil- und Flächenkenngrößen und in Tabelle 21 für die Volumenkenngrößen zusammengestellt. Hierbei sind Korrelationskoeffizienten über 0,7 mit roter Farbe und größer 0,60 mit blauer Farbe hervorgehoben.
Tabelle 20:
Ermittelte Korrelationskoeffizienten zwischen Parametern aus dem Oberflächenmodell (Profil und Flächenanalyse) und den bruchmechanischen Kennwerten Flächenanalyse
Korrel σKZ Korrel GF Korrel σHZ
Sa
Sq
Sp
0.71 0.63 0.19
0.72 0.63 0.20
0.79 0.78 0.16
Tabelle 21:
Korrel σKZ Korrel GF Korrel σHZ
Sv
Sz
[mm] 0.59 0.71 0.72 0.77 0.40 0.28
S10z
Ssk
Sku
Sk
Spk
Svk
Smr1
Smr2
0.76 0.71 0.27
0.51 0.53 0.37
-0.62 -0.65 -0.30
0.70 0.66 0.16
[mm] 0.74 0.53 0.34
0.77 0.65 0.24
[%] 0.20 0.53 -0.03 0.63 0.46 0.23
Ermittelte Korrelationskoeffizienten zwischen Parametern aus dem Oberflächenmodell (Flächen und Volumenanalyse) und den bruchmechanischen Kennwerten Sdr [%]
Vmp
Vmc
0.81 0.68 0.22
0.77 0.65 0.28
0.70 0.64 0.18
Vvc
Vvv
0.69 0.59 0.22
0.77 0.66 0.19
[ml/m²]
Gemäß Tabelle 21 wird eine hohe Korrelation (Korrelationskoeffizient > 0,7) zwischen den Flächenkenngrößen Sa, Sq, Sp, Sz, S10z, Sk, Svk und Sdr sowie mit den Volumenkenngrößen Vmp, Vmx und Vvc und den bruchmechanischen Kennwerten gefunden. Vorhergehende Untersuchungen an unterschiedlich profilierten Oberflächen zeigten (meist wellenförmige Profilierung mit anschließendem Hochdruckwasserstrahlen), dass Korrelationskoeffizienten von größer 0,9 für ausgewählte Oberflächenparameter (z.B. Sdr) möglich sind [3.4-3]. Die ermittelten Korrelationskoeffizienten zeigen nur eine hohe, jedoch keine sehr hohe Korrelation auf und es werden die in [3.4-3] ermittelten Korrelationskoeffizienten nicht erreicht. Dies könnte damit zu begründen sein, dass mit händischem Hochdruckwasserstrahlen keine exakt homogene Fläche hergestellt werden, da
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die Oberflächentextur neben dem Pumpendruck vom Abstand der Lanze zur Oberfläche bzw. von der Verweildauer an der gleichen Stelle abhängig ist und die Oberflächeneigenschaften nicht immer an exakt jener Stelle, an der die Proben zur Verbundprüfung entnommen wurden, bestimmt wurden. Aufgrund der ermittelten guten Korrelation zwischen Kerb-Spaltzugfestigkeit und spezifischer Bruchenergie erfolgte auch die Gegenüberstellung der Verbundeigenschaften mit dem Oberflächenparameter Sdr in Abbildung 35 bis Abbildung 37. Sdr repräsentiert das Verhältnis wahrer zu projizierter Fläche und ist entscheidend, da davon auszugehen ist, dass die wahre Oberfläche mit der zwei Werkstoffe in Verbindung gehen, einen entscheidenden Einfluss auf das Verbundverhalten hat [3.4-3].
Abbildung 35: Zusammenhänge zwischen Sdr und der Haftzugfestigkeit σHZ
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Abbildung 36: Zusammenhänge zwischen Sdr und spezifischer Kerb-Spaltzugfestigkeit σKZ
Abbildung 37: Zusammenhänge zwischen Sdr und spezifischer Bruchenergie GF Die obigen Abbildungen zeigen, dass zwischen dem Verhältnis wahrer zu projizierter Fläche Sdr und der Kerb-Spaltzugfestigkeit σKZ bzw. der spezifischen Bruchenergie GF Korrelationen gefunden werden konnten, jedoch keine Zusammenhänge zwischen dem Verhältnis wahrer zu projizierter Fläche Sdr und der Haftzugfestigkeit σHZ vorliegen. Diese Korrelationen sind jeweils linear darstellbar.
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Zur Festlegung von Mindestanforderungen an die Oberflächenbeschaffenheit ist die Bandbreite einzelner Oberflächenparameter bzw. auch die Erkenntnis über die zu erwartenden Verbundeigenschaften von essentieller Bedeutung. Es erfolgte daher die Gegenüberstellung der Mittelwerte der Verbundeigenschaften Kerb-Spaltzugfestigkeit und spezifische Bruchenergie mit dem Parameter Sdr der jeweils zughörigen Platte in Abbildung 38 und. Abbildung 39.
Abbildung 38: Zusammenhänge zwischen Sdr und Kerb-Spaltzugfestigkeit (jeweils zugehörige Platten) sowie generell ermittelte Bandbreite von Sdr
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Abbildung 39: Zusammenhänge zwischen Sdr und spez. Bruchenergie (jeweils zugehörige Platten) sowie generell ermittelte Bandbreite von Sdr
Für eine Bemessung wesentlich ist, welche Bandbreite bzw. welche Mindestwerte der Haftzugfestigkeit, Kerb-Spaltzugfestigkeit bzw. spezifischer Bruchenergie erwartet werden können. Hierfür erfolgte die Gegenüberstellung der Bandbreite der Prüfwerte der Verbundkennwerte der Spanne der Oberflächeneigenschaft Sdr. Diese Zusammenhänge sind in Abbildung 40, Abbildung 41 und Abbildung 42 für die Haftzugfestigkeit, KerbSpaltzugfestigkeit bzw. spezifischer Bruchenergie zusammengestellt.
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Abbildung 40: Bandbreite Sdr und Bandbreite Haftzugfestigkeit aller untersuchten Oberflächentypen
Abbildung 41: Bandbreite Sdr und Bandbreite Kerb-Spaltzugfestigkeit aller untersuchten Oberflächentypen
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Abbildung 42: Bandbreite Sdr und Bandbreite spezifische Bruchenergie aller untersuchten Oberflächentypen Abbildung 40 zeigt, dass weitgehend unabhängig der Oberflächenbearbeitung Haftzugfestigkeiten von 2,19 N/mm² bis 4,61 N/mm² erreicht werden. Im Gegensatz dazu zeigt die Bestimmung der Kerb-Spaltzugfestigkeit in Abbildung 41 sowie die Bestimmung der spezifischen Bruchenergie in Abbildung 42 einen Anstieg der Kennwerte. Aufgrund dieser Aussagen kann geschlossen werden, dass je nach Oberflächenbearbeitung zumindest jene in Tabelle 22 Mindestwerte erreicht werden. Im Vergleich dazu sind auch die bruchmechanischen Kennwerte Tabelle 22:
Ermittelte Mindestverbundfestigkeiten in Abhängigkeit der Oberflächeneigenschaften Sdr min.
Sdr. max.
σHZ min.
σKZ min.
GF min.
2,19 2,46 2,51 3,21 3,89
2,86 3,28 3,52 4,56 3,98
[N/m] 85 91 97 102 136
68
63
83
77
72
89
[%] glatt rau verzahnt Unterbeton Aufbeton Prozent von Unterbeton glatt Prozent von Unterbeton rau und verzahnt
12,08 48,35 85,18 -
[N/mm²] 32,86 82,83 98,03 -
Tabelle 22 zeigt, dass durch eine entsprechende Oberflächenbearbeitung (rau und verzahnt) 77 Prozent der Haftzugfestigkeit, 72 Prozent der Kerbspaltzugfestigkeit sowie 89 Prozent der spezifischen Bruchenergie des homogenen Betons erreicht werden. Abbildung 43 zeigt, zur
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besseren Veranschaulichung der obigen Tabelle, typische Spaltkraft-Verformungsdiagramme
Abbildung 43: Typische Spalt-Kraft-Verschiebungskurven für homogenen Beton und Oberflächenprofilierungen „verzahnt“. Aus Abbildung 43 ist zu entnehmen, dass bei entsprechender Oberflächenbearbeitung durchwegs Verbundkennwerte (ausgedrückt durch die spezifische Bruchenergie) erreicht werden können, die nahe am homogenen Beton sind.
Durch das digitale Oberflächenmodell war es weiters möglich, Zusammenhänge zwischen der aus dem Modell errechneten Rautiefe und den Oberflächeneigenschaften herzustellen. Abbildung 44, Abbildung 45 und Abbildung 46 zeigen die Zusammenhänge zwischen der aus dem digitalen Oberflächenmodell rechnerisch ermittelter Rautiefe und den Verbundkennwerten Haftzugfestigkeit, Kerb-Spaltzugfestigkeit und spezifischer Bruchenergie.
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Abbildung 44: Bandbreite Rautiefe rechnerisch und Bandbreite Haftzugfestigkeit aller untersuchten Oberflächentypen
Abbildung 45: Bandbreite Rautiefe rechnerisch r und Bandbreite Kerb-Spaltzugfestigkeit aller untersuchten Oberflächentypen
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Abbildung 46: Bandbreite Rautiefe rechnerisch und Bandbreite spezifische Bruchenergie aller untersuchten Oberflächentypen Obige Abbildungen zeigen, dass zwischen der rechnerisch ermittelten Rautiefe und den Verbundkennwerte Kerb-Spaltzugfestigkeit und spezifische Bruchenergie Zusammenhänge ermittelt werden konnten.
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Zusammenfassung
Höherfeste Betone eignen sich aufgrund der höheren Dauerhaftigkeit, Robustheit und zufolge der geringen Porosität und der damit verbundenen Dichtheit des Materials sowie des hohen Widerstandes gegen chemische und mechanische Einwirkungen besonders für Tragwerksverstärkungen, wie z.B. Aufbetonschichten. Ziel ist es, den adhäsiven Verbund solcher höherfesten Aufbetonschichten mit einem weitgehenden Verzicht auf Bewehrungselemente bzw. Verbinder auszunutzen und dies auch in der Bemessung zu verankern.
5.1
Stand der Technik
Beim Aufbringen einer Betonschichte im Verbund ist es wesentlich, dass der Untergrund so ausgeführt und behandelt wird, dass sich möglichst gute Verbundeigenschaften einstellen. Die essentielle Anforderung ist hierbei die Rauheit der Oberfläche. Die Herstellung der nötigen Oberflächenrauheit erfolgt in der Regel durch Hochdruckwasserstrahlen bei einem Pumpendruck von 1200 – 2500 bar. Die resultierenden Oberflächeneigenschaften werden mit dem Sandflächenverfahren nach Kaufmann überprüft. Grundsätzlich werden für Instandsetzungsmaßnahmen meist Anforderungen an die Rautiefe gestellt. Beispielsweise definiert RVS 15.02.34 für Aufbetonschichten zur Verstärkung von Brückentragwerken eine erforderliche Rautiefe von ≥ 3,0 mm. Um einen ausstreichenden Verbund zwischen Alt- und Neubeton zu gewährleisten, wird derzeit im Zuge von Bauwerksinstandsetzungen auf die Anwendung spezieller Dübeltechnik zurückgegriffen. Hier stellen verschiedene Hersteller Lösungen zur Verfügung. Die Tragwirkung der Dübel kann jedoch erst dann aktiviert werden, wenn bereits ein Riss in der Verbundfuge vorhanden ist und somit zumindest lokal die Adhäsion und Reibungskräfte überschritten wurden. Weiters haben Dübel den großen Nachteil, dass sich durch deren Einbau sowohl Arbeitsaufwand als auch Baukosten stark erhöhen. Derzeit ist die kontrollierte Herstellung einer voll wirksamen Verbundoberfläche nicht bzw. nur ungenügend geregelt, da Oberflächeneigenschaften nur durch eine erforderliche Abreißfestigkeit und Rautiefe ermittelt werden. Ziel des Projektes ist es daher, mit unterschiedlichen Prüfmethoden das Zusammenwirken von Oberflächen- und Verbundeigenschaften eingehend zu untersuchen, um auf Basis der Ergebnisse eine Optimierung der Bemessungsansätze zur Reduktion der erforderlichen Dübelanzahl vornehmen zu können. Um die Verbundwirkung von zwei Schichten auch betontechnologisch besser zu verstehen, ist die Kenntnis der Komponenten Adhäsion, Reibung sowie einer Verbundwirkung durch Dübeloder Klemmwirkung erforderlich. Alle drei Komponenten der Schubkraftübertragung wirken nicht bereits zu Beginn der Belastung, sondern werden erst mit zunehmender Laststeigerung und Verschiebung aktiviert. Betontechnologisch relevant sind die Schubkomponenten Adhäsion sowie Reibung. Adhäsion beschreibt den Haftverbund resultierend aus chemischen und physikalischen Bindungskräften der angrenzenden Schichten und ist nur bei sehr geringen Verschiebungen bis zu 0,02 mm wirksam. Kommt es zu einer größeren Relativverschiebung wird durch vorhandene Unebenheiten die Reibung aktiviert. Die Reibung selbst ist sowohl von der wirkenden Normalkraft als auch vom Reibbeiwert µ abhängig. Diese Reibbeiwerte werden in Eurocode 2 von sehr glatt mit 0,5 bis verzahnt mit 0,9 festgelegt. Zur Beurteilung des Verbundverhaltens ist es wesentlich, das Zusammenwirken zwischen Beschaffenheit der Fuge und das Tragverhalten von Verbundkonstruktionen zu verstehen. Bereits durchgeführte Untersuchungen zeigten, dass mit entsprechender guter Oberflächenprofilierung der Altbetonschichte sehr gute Verbundkennwerte erreicht werden können. Limitierend sind jedoch jeweils die mechanischen Eigenschaften der angrenzenden Betonschichten sowie die Qualität der Verbundfuge des Altbetons.
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Prüfungsdurchführung
Um die optimale Ausnutzung der Verbundfuge auch im Bemessungskonzept zu verankern, ist es notwendig, eine Datengrundlage zur Beurteilung des Verbundverhaltens unterschiedlich gestrahlter Oberflächen zu schaffen. Hierfür wurden im ersten Forschungsjahr Untersuchungen zur Beurteilung der Verbundfestigkeit in Mode I Normalbeanspruchung (Smart Minerals) sowie Mode II ebene Scherung (FH Kärnten) durchgeführt. Die Ergebnisse dienen als Datengrundlage zur Weiterentwicklung eines entsprechenden Bemessungstermes. Es wurden Versuchsplatten mit einem typischen Brückentragwerksbeton C30/37//F45/GK16/B5 betoniert, die im Alter von etwa 4 Woche durch Hochdruckwasserstrahlen so bearbeitet wurden, dass drei unterschiedliche Rautiefenstufen glatt (Rautiefe etwa 1,2 mm), rau (Rautiefe etwa 2,1) sowie verzahnt (Rautiefe etwa 4,0 mm) erreicht wurden. Ebenso erfolgte die Erstellung von dreidimensionalen Oberflächenmodellen. Ziel der Ermittlung der Oberflächentextur mit dem stereoskopischen Verfahren war es, ein digitales Oberflächenmodell (DOM) der Oberflächentextur zu erstellen, damit möglichst viele Oberflächenparameter bestimmt und in Relation zu den Verbundeigenschaften gesetzt werden können. Die Auswertung der Oberflächeneigenschaften erfolgte auf Basis von Profil- Flächen und Volumenanalyse. Beispielsweise wurden die Oberflächenparameter wie das Verhältnis wahre zu projizierte Fläche oder auch eine aus dem Oberflächenmodell errechnete Rautiefe ermittelt. Aufgrund der Rahmenbedingungen, dass die Rezeptur für den Aufbeton auch regional in Österreich verfügbar ist und dadurch auch Großkörper im zweiten Forschungsjahr mit der gleichen Rezeptur hergestellt werden können, wurden für dem Aufbeton ein Beton mit der Bezeichnung C60/75/GK16/F45/HL-B gewählt. Vor dem Einbringen des Aufbetons erfolgte das Anfeuchten der Oberfläche in den Intensitäten, mattfeucht, feucht und nass. Nach der Einbringung und dem Erhärten des Aufbetons startete die Ermittlung der Verbundkennwerte Haftzugfestigkeit, Kerb-Spaltzugfestigkeit sowie der spezifischen Bruchenergie. Zur Bestimmung der Haftzugfestigkeit wurde mit einem Kernbohrgerät bis zur Unterbetonschicht gebohrt und nach Trockenlegung der Prüfflächen Stahlstempel aufgeklebt. Die Bestimmung der Haftzugfestigkeit erfolgte durch zentrisches Abziehen des Stahlstempels unter konstanter Belastungsgeschwindigkeit. Um bessere Aussagen über das Wirken der Verbundfuge zu erhalten, erfolgte auch die Ermittlung der bruchmechanischen Kennwerte mit der Keilspaltmethode. Bei dieser Prüfung werden Bohrkerne aus den Verbundplatten entnommen. Im Zuge der Prüfung wurde ein Last-Verschiebungsdiagramms bis zum vollkommenen Aufspalten der Probe aufgezeichnet. Auf Grundlage dieses Diagrammes können die bruchmechanischen Kennwerte Kerb-Spaltzugfestigkeit σKZ und die spezifische Bruchenergie GF ermittelt werden. Während die Kerb-Spaltzugfestigkeit in Korrelation zur einaxialen Zugfestigkeit bzw. Haftzugfestigkeit gesetzt werden kann, entspricht die spezifische Bruchenergie jener Gesamtarbeit die zum Aufspalten des Interface aufgewendet werden muss.
5.3
Ergebnisse
Wesentlich zur Festlegung von Eingangswerten für zukünftige Bemessungsregeln war, die Einflussparameter auf die resultierenden Verbundeigenschaften zu untersuchen sowie mögliche Bandbreiten der zu erzielenden Verbundfestigkeiten feststellen zu können.
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Auf Basis der Untersuchungen kann folgendes zusammengefasst werden:
5.4
Die höchsten Haftzugfestigkeiten werden bei den rauen Verbundfugen erreicht. Der Einbau nass in nass zeigt deutlich geringere Haftzugfestigkeiten als die durch Hochdruckwasserstrahlen behandelten Verbundfugen mit Altbeton. Dies dürft darauf zurückzuführen sein, dass durch die Wartezeit von knapp zwei Stunden bereits oberflächlich ein Austrocknungsprozess gestartet ist und dies zu einer Störungszone (Sollbruchstelle) in den oberflächennähen Schichten des Unterbetons führte. Die ermittelten bruchmechanischen Kennwerte Kerbspaltzugfestigkeit und spezifische Bruchenergie zeigen, dass die höchsten Prüfwerte bei der aufgerauten und verzahnten Verbundfuge festgestellt wurden. Bei diesen Oberflächen können etwa 80 % der Festigkeitswerte von homogenem Beton erreicht werden. Es zeigte sich, dass sich die unterschiedlichen Oberflächenzustände (mattfeucht, feucht und nass) kaum auf die Verbundeigenschaften auswirken. Tendenziell war zu erkennen, dass nasse Oberflächen geringere Verbundfestigkeiten liefern als die restlichen Oberflächenzuständen. Baupraktisch ist sicher mit einer Bandbreite von möglichen Oberflächenzuständen in diesem Rahmen zu rechnen. Die Ermittlung der Parameter aus dem digitalen Oberflächenmodell zeigte, dass ausgewählte Parameter der Flächenanalyse sehr gut mit den bruchmechanischen Kennwerten Kerb-Spaltzugfestigkeit und spezifische Bruchenergie korreliert werden können. Eine Korrelation mit der Haftzugfestigkeit ist nicht möglich. Auf Basis der Daten des digitalen Oberflächenmodells konnten die Verbundeigenschaften Kerb-Spaltzugfestigkeit und spezifische Bruchenergie sehr gut mit dem Parameter Sdr (Verhältnis wahre zu projizierte Fläche) korreliert werden. Bei steigendem Parameter Sdr steigen auch Verbundkennwerte an. Ähnliche Zusammenhänge wurden bei einer aus dem Oberflächenmodell errechneten Rautiefe festgestellt. Aufgrund der Versuche kann zusammengefasst werden, dass der Parameter Sdr zur Erreichung von guten Verbundkennwerten zumindest 50 Prozent bzw. die aus dem Oberflächenmodell errechnete Rautiefe zumindest 1,5 mm betragen sollte. Dies entspricht der Oberflächeneigenschaft rau. Bei den Oberflächen rau und verzahnt können 70 Prozent der Kerb-Spaltzugfestigkeit bzw. knapp 90 Prozent der spezifischen Bruchenergie im Vergleich zu homogenen Betonen erreicht werden. Der Einbau nass in nass lieferte deutlich geringere Verbundfestigkeit als jene Probekörper, die durch Hochdruckwasserstrahlen aufgeraut wurden. Baupraktisch ist zwischen dem Einbringen des Unterbetons und des Aufbetons immer mit Wartezeiten zu rechnen. Dadurch kommt es zu Austrocknungserscheinungen in der oberflächennahen Zone des Unterbetons und somit zu einer Ausbildung einer Störungszone. Diese Störungszone ist eine Sollbruchstelle die zu geringeren Festigkeiten führt. Zu bemerken ist, dass bei der Bestimmung der bruchmechanischen Kennwerte fast ausschließlich ein Versagen der interfacenahen Zone im Unterbeton erfolgte. Dies unterstreicht die oben gestellte Annahme. Bei einer baupraktischen Ausführung ist bei einem Einbau nass in nass auch immer mit ungünstigen Umgebungsbedingen zu rechnen (vor allem bei Brückentragwerken führt Wind in Kombination mit direkter Sonneneinstrahlung zu einer raschen Austrocknung). Eine mögliche Nachbehandlung würde ebenso die Verbundfuge beeinträchtigen.
Ausblick
Aufgrund der bisherigen Ergebnisse sollen im zweiten Forschungsjahr seitens Smart Minerals weitere Untersuchungen mit noch festeren Aufbetonschichten durchgeführt werden. Auch wenn eine baupraktische Ausführung solcher Schichten eine Spezialanwendung darstellt, sollen
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dadurch weitere Einflussfaktoren untersucht, bzw. ein mögliches Potential von noch besseren Verbundkennwerten abgesteckt werden. Ein weiterer Fokus der Untersuchungen aus Forschungsjahr zwei liegt in der Beurteilung des Einflusses von Erschütterungen in unterschiedlichem Betonalter auf die Verbundeigenschaft. Während in sehr jungem Betonalter eine zusätzliche Verdichtung angenommen werden kann, werden mit steigender Hydration Schäden im Betongefüge vermutet. Dies gilt es genau zu untersuchen um im Bauverlauf auf diese Einflussfaktoren Rücksicht nehmen zu können.
6
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Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Abbildung 2: Abbildung 3: Abbildung 4: Abbildung 5: Abbildung 6: Abbildung 7: Abbildung 8: Abbildung 9: Abbildung 10: Abbildung 11: Abbildung 12: Abbildung 13: Abbildung 14: Abbildung 15: Abbildung 16: Abbildung 17: Abbildung 18: Abbildung 19: Abbildung 20: Abbildung 21: Abbildung 22: Abbildung 23: Abbildung 24: Abbildung 25: Abbildung 26: Abbildung 27: Abbildung 28: Abbildung 29: Abbildung 30: Abbildung 31: Abbildung 32: Abbildung 33: Abbildung 34: Abbildung 35: Abbildung 36: Abbildung 37: Abbildung 38: Abbildung 39:
Aufbetonverstärkung mit Fugenbewehrung, Ybbsbrücke bei Krenngraben, .................... 4 Starrer sowie verschieblicher Verbund [2.2-6] .................................................................. 6 Makrorauheit, Mikrorauheit und submikroskopische Verzahnung [nach 2.2-8] ............ 7 Verzahnte Fugenausbildung [2.2-9].................................................................................. 8 Typische Kraft-Verschiebungskurven für homogenen Beton, homogenen Sandstein sowie Beton-Sandsteinverbundwerkstoff [nach 2.2-11] ........................................................ 9 Horizontalkraft-Rissöffnungsdiagramm von Probekörpern mit unterschiedlicher Behandlung der Altbetonoberfläche ohne Dübelverstärkung [2.2-12] ........................ 9 Spezifische Bruchenergie in Prozent des monolithischen Probekörpers (b) [nach 2.2-13] ................................................................................................................................... 10 Spezifische Bruchenergie in Abhängigkeit der Oberflächenbearbeitung [2.2-14] .......... 10 Probekörperherstellung Tragwerksbeton ....................................................................... 15 Probekörperherstellung Aufbeton ................................................................................... 16 Probekörperherstellung nass in nass mit aufgerauter Oberfläche (links) und glatter Oberfläche nach dem Verdichten (rechts) ................................................................. 16 Unterschiedliche Oberflächenprofilierungsmaßnahmen (links oben glatt, rechts oben rau und links unten verzahnt)........................................................................................... 23 Definition der Rautiefe sowie Bestimmung [3.4-3] .......................................................... 24 Versuchskonfiguration zur Bestimmung von Oberflächenparametern mit dem stereooptischen Verfahren [3.4-3] ............................................................................. 26 Dreidimensionales Oberflächenmodell einer analysierten Fläche ................................. 27 Typische Parameter der Profilanalyse [24] ..................................................................... 28 Definition von Pp, Pv und Pz bzw [24 nach 14] .............................................................. 28 Definition von Pa Primärprofil [3.4-3 nach 3.4-6] ............................................................ 29 Traglastkurve und deren Parameter, Abszisse entspricht der Traglastfläche, die Ordinate beschreibt die Tiefe der Profilunebenheiten [3.4-6] ................................................... 29 Schematische Darstellung eines Profils mit errechneten Volumenanteilen des Materials bzw. Leervolumenanteile sowie zugehörige Traglastflächenkurve [3.4-3] ................ 30 Dreidimensional dargestellte Oberflächen der Volumenanalyse .................................... 31 Theoretisches Kraft-Verschiebungsdiagramm bei der Prüfung der Haftzugfestigkeit [24]36 Systemskizze zur Prüfung von Verbundwerkstoffen mit der Keilspaltmethode [3.5-1] .. 37 Typisches Spaltkraft-Verschiebungsdiagramm [3.5-1] ................................................... 37 Definierte und erzielte Rautiefe Rt .................................................................................. 39 Haftzugfestigkeit σHZ der untersuchten Oberflächen im Vergleich zu homogenen Oberbzw. Unterbeton und einer Einbringung nass in Nass .............................................. 40 Kerb-Spaltzugfestigkeit σKZ der untersuchten Oberflächen im Vergleich zu homogenen Ober- bzw. Unterbeton und einer Einbringung nass in Nass .................................... 41 Spezifische Bruchenergie GF der untersuchten Oberflächen im Vergleich zu homogenen Ober- bzw. Unterbeton und einer Einbringung nass in Nass .................................... 42 Haftzugfestigkeit σHZ der untersuchten Oberflächen in Relation zu Oberflächenzuständen mattfeucht, feucht und nass ...................................................................................... 43 Kerb-Spaltzugfestigkeit σKZ der untersuchten Oberflächen in Relation zu Oberflächenzuständen mattfeucht, feucht und nass ................................................. 43 Spezifische Bruchenergie GF der untersuchten Oberflächen in Relation zu Oberflächenzuständen mattfeucht, feucht und nass ................................................. 44 Zusammenhänge zwischen Parametern aus dem Oberflächenmodell (Flächenanalyse) und Haftzugfestigkeit σHZ ........................................................................................... 45 Zusammenhänge zwischen Parametern aus dem Oberflächenmodell (Flächenanalyse) und Kerb-Spaltzugfestigkeit σKZ ................................................................................ 46 Zusammenhänge zwischen Parametern aus dem Oberflächenmodell (Flächenanalyse) und spezifischer Bruchenergie GF ............................................................................. 46 Zusammenhänge zwischen Sdr und der Haftzugfestigkeit σHZ ...................................... 48 Zusammenhänge zwischen Sdr und spezifischer Kerb-Spaltzugfestigkeit σKZ .............. 49 Zusammenhänge zwischen Sdr und spezifischer Bruchenergie G F .............................. 49 Zusammenhänge zwischen Sdr und Kerb-Spaltzugfestigkeit (jeweils zugehörige Platten sowie generell ermittelte Bandbreite von Sdr ............................................................ 50 Zusammenhänge zwischen Sdr und spez. Bruchenergie (jeweils zugehörige Platten
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Abbildung 40: Abbildung 41: Abbildung 42: Abbildung 43: Abbildung 44: Abbildung 45: Abbildung 46:
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sowie generell ermittelte Bandbreite von Sdr ............................................................ 51 Bandbreite Sdr und Bandbreite Haftzugfestigkeit aller untersuchten Oberflächentypen52 Bandbreite Sdr und Bandbreite Kerb-Spaltzugfestigkeit aller untersuchten Oberflächentypen ...................................................................................................... 52 Bandbreite Sdr und Bandbreite spezifische Bruchenergie aller untersuchten Oberflächentypen ...................................................................................................... 53 Typische Spalt-Kraft-Verschiebungskurven für homogenen Beton und Oberflächenprofilierungen „verzahnt“. ....................................................................... 54 Bandbreite Rautiefe rechnerisch und Bandbreite Haftzugfestigkeit aller untersuchten Oberflächentypen ...................................................................................................... 55 Bandbreite Rautiefe rechnerisch r und Bandbreite Kerb-Spaltzugfestigkeit aller untersuchten Oberflächentypen ................................................................................ 55 Bandbreite Rautiefe rechnerisch und Bandbreite spezifische Bruchenergie aller untersuchten Oberflächentypen ................................................................................ 56
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Tabellenverzeichnis
Tabelle 1: Tabelle 2: Tabelle 3: Tabelle 4: Tabelle 5: Tabelle 6: Tabelle 7: Tabelle 8: Tabelle 9: Tabelle 10: Tabelle 11: Tabelle 12: Tabelle 13: Tabelle 14: Tabelle 15: Tabelle 16: Tabelle 17: Tabelle 18: Tabelle 19: Tabelle 20: Tabelle 21: Tabelle 22:
Zusammenstellung der Rezepturen für die Betonsorten C30/37/B5 bzw. der Tastrezepturen Hochleistungsbeton HL-B-1 und HL-B-2 ................................................................... 14 SOLL - Einwaagen gemäß Rezeptvorgabe, Betonsorte C30/37/F45/GK16/B5 und Betonsorte C60/75/GK16/F45/HL-B .......................................................................... 17 Frischbetonprüfung und IST Einwaagen gemäß Chargenprotokoll, Betonsorte C30/37/F45/GK16/B5 und Betonsorte C60/75/GK16/F45/HL-B ............................... 18 C30/37/F45/GK16/B5: Druckfestigkeit............................................................................... 19 C60/75/GK16/F45/HL-B: Druckfestigkeit ........................................................................... 19 C30/37/F45/GK16/B5: statischer Elastizitätsmodul ........................................................... 19 C60/75/GK16/F45/HL-B: statischer Elastizitätsmodul ....................................................... 19 Messergebnisse C30/37/F45/GK16/B5 ............................................................................. 20 Messergebnisse C60/75/GK16/F45/HL-B ......................................................................... 21 Luftporenkennwerte bestimmt nach ONR 23303 [2.2-3] ................................................... 22 Bestimmung der mittleren Rautiefe Rt ............................................................................... 25 Parameter des Primärprofils P .......................................................................................... 28 Parameter der Flächenanalyse ......................................................................................... 30 Ermittelte Parameter der Profilanalyse der Probekörper für Verbundprüfung .................. 32 Ermittelte Parameter der Flächenanalyse der Probekörper für Verbundprüfung .............. 33 Ermittelte Parameter der Volumenanalyse ........................................................................ 34 Ergebnisse der Prüfung der Haftzugfestigkeit ................................................................... 35 Ergebnisse der Bestimmung der bruchmechanischen Kennwerte – Kerb-Spaltzugfestigkeit σKZ .............................................................................................................................. 38 Ergebnisse der Bestimmung der bruchmechanischen Kennwerte – spezifische Bruchenergie GF ........................................................................................................ 38 Ermittelte Korrelationskoeffizienten zwischen Parametern aus dem Oberflächenmodell (Profil und Flächenanalyse) und den bruchmechanischen Kennwerten ................... 47 Ermittelte Korrelationskoeffizienten zwischen Parametern aus dem Oberflächenmodell (Flächen und Volumenanalyse) und den bruchmechanischen Kennwerten ............. 47 Ermittelte Mindestverbundfestigkeiten in Abhängigkeit der Oberflächeneigenschaften ... 53
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Anhang
Abbildung A1:
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Abbildung A2:
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Abbildung A3:
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Abbildung A4:
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Abbildung A6:
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Abbildung A7:
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Abbildung A8:
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Abbildung A9:
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Abbildung A10:
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Abbildung A11:
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Abbildung A12:
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Abbildung A13:
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Abbildung A14:
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Abbildung A15:
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Abbildung A16:
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Abbildung A17:
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Abbildung A18:
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Abbildung A19:
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Abbildung A20:
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Abbildung A21:
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