DE102007063455B4

DE102007063455B4 - Leichtverdichtbare oder selbstverdichtende Betonmischung, Verwendung solcher Mischungen und Bahnschwelle aus Beton

Info

Publication number: DE102007063455B4
Application number: DE102007063455A
Authority: DE
Inventors: Attila Höchst; Jürgen MARTIN; Jörg-Henry Dr. Schwabe; Stephan Dr. Freudenstein; Werner Fiegl
Original assignee: Institut fuer Fertigteiltechnik und Fertigbau Weimar eV; Rail One GmbH
Current assignee: Institut fuer Fertigteiltechnik und Fertigbau Weimar eV; Rail One GmbH
Priority date: 2007-12-27
Filing date: 2007-12-27
Publication date: 2010-08-19
Anticipated expiration: 2027-12-28
Also published as: DE102007063455A1

Abstract

Leichtverdichtbare Betonmischung mit Anteilen von Zement und Wasser,
– wobei der Zementanteil mehr als 400 kg/m³ beträgt und im Verarbeitungszustand das Verhältnis der Massen von Wasseranteil zu Zementanteil kleiner als 0,4 ist,
– mit einem Anteil einer feinen Gesteinskörnung, nämlich Sand mit Korngrößen von bis zu 4 mm, der zwischen 750 kg/m³ und 850 kg/m³ liegt,
– einem Anteil einer ersten groben Gesteinskörnung mit Korngrößen von 8 bis 16 mm, der zwischen 450 kg/m³ und 550 kg/m³ liegt,
– einem Anteil einer zweiten groben Gesteinskörnung mit Korngrößen von 16 bis 22 mm, der zwischen 400 kg/m³ und 500 kg/m³ liegt, und
– einem Anteil eines Fließmittels, der zwischen 3,5 kg/m³ und 4,5 kg/m³ liegt.

Description

Die Erfindung betrifft eine leichtverdichtbare Betonmischung und eine selbstverdichtende Betonmischung, stahlbewehrte Bahnschwellen aus solchen Betonmischungen und die Verwendung solcher Betonmischungen, insbesondere bei der Herstellung von stahlbewehrten Betonbahnschwellen.
Bei der Herstellung von Betonbahnschwellen müssen eine Vielzahl von Prozessen aufeinander abgestimmt werden. Die Eigenschaften der Ausgangsstoffe und Produkt-Sollkennwerte wie Qualität – insbesondere Optik, Gebrauchstauglichkeit und Dauerhaftigkeit –, Durchsatz bei der Herstellung und das Verhältnis von Herstellungskosten und Verkaufspreis bestimmen die Aufwendungen und Erfordernisse, die bezüglich der Verarbeitung des Betons erforderlich sind. Für eine wirtschaftliche Herstellung im Dauerbetrieb müssen diese Faktoren optimal aufeinander abgestimmt werden.
So ist beispielsweise die Voraussetzung für gute optische Eigenschaften nicht nur die Zusammensetzung und Verdichtung des Gemenges, sondern auch die Beschaffenheit der formgebenden Einrichtung. Die Schalung gibt dem Bauteil seine endgültige Form. Sie hat im Zusammenwirken mit der Vibrationseinwirkung einen maßgeblichen Einfluß auf die Ausbildung der Oberflächeneigenschaften. Zur Formgebung von Spannbetonschwellen werden im allgemeinen Schalungen aus Stahl verwendet, da diese die notwendige Steifigkeit und Stabilität aufweisen, die zum Übertragen der Verdichtungsenergie in das Gemenge erforderlich sind.
Bei der Herstellung von Bahnschwellen aus Beton sind die jeweils vom Anwender vorgegebenen Normen, die eine Mindestproduktqualität garantieren sollen, einzuhalten. Allgemein müssen Bahnschwellen aus Beton die Normen der Normenreihe DIN EN 13230 erfüllen. Im Bereich der Deutschen Bahn werden diese Normen präzisiert durch die technischen Lieferbedingungen nach BN 918143:2005-12. Wesentliche Eigenschaften, die die Betonschwellen bzw. der Beton aufweisen müssen, sind z. B. eine Druckfestigkeit von mindestens C50/60 nach DIN EN 206-1, eine einzuhaltende Betonüberdeckung nach DIN EN 13230-1, Expositionsklassen XC4, XD3, XS1, XF3, eine Mindestdruckfestigkeit zum Zeitpunkt des Vorspannens von 48 N/mm², oder eine Mindestbiegezugfestigkeit nach sieben Tagen Wasserlagerung von 5,5 N/mm², um nur einige zu nennen. Je nach Anwendungsspektrum der hergestellten Produkte werden die Betonbahnschwellen im Sofortentschalverfahren oder im Spätentschalverfahren, hier auch im Long-Line-Verfahren für kompliziertere Systeme wie bei Weichen, hergestellt.
Beim Sofortentschalverfahren werden die mit Frischbeton gefüllten Schwellenformen unmittelbar nach dem Verdichten und dem Einhalten einer vorgegebenen Vorlagerzeit entschalt. Hierbei muß der Frischbeton eine hohe Grünstandsfestigkeit erreichen. Nach dem Erhärten und dem Erreichen einer ausreichenden Festigkeit werden die Spannstäbe in die vorgesehenen Spannkanäle eingesetzt, gespannt und verankert. Die Herstellung von Bahnschwellen über das nachträgliche Spannen des Bewährungsstahls läßt zwar eine bessere Produktflexibilität aufgrund einer deutlich geringeren Anzahl von Formen zu, da individueller auf Kundenwünsche eingegangen werden kann, erfordert aber einen höheren Arbeitsaufwand, so daß das Sofortentschalverfahren vorzugsweise für kleine bis mittlere Produktionsstückzahlen geeignet ist. Für die Massenproduktion von Standardschwellen ist es aufgrund des geringeren möglichen Durchsatzes nur bedingt geeignet. Es wird jedoch häufig bei der Herstellung von Spezial- oder Sonderanfertigungen eingesetzt.
Höhere Produktionsstückzahlen lassen sich erzielen, wenn zur Herstellung der Bahnschwellen das sogenannte Spätentschalverfahren eingesetzt wird. Dabei wird vor dem Betoniervorgang die Stahlbewehrung in die Schalungen eingelegt, vorgespannt und anschließend im Verbund zur Fülleinrichtung transportiert. Nach der Gemengeeinfüllung und einer Vorlagerzeit werden die „grünen” Betonschwellen in einer Erhärtungskammer einer Wärmebehandlung unterzogen. Ist der Beton erhärtet, so werden die Spanndrähte in der Entspannstation entspannt und die Schwellen im letzten Produktionsschritt entschalt. Die Schalungen können anschließend nach einer Reinigung erneut verwendet werden. Das Spätentschalverfahren ist beispielsweise in der Zeitschrift Betonwerk und Fertigteil-Technik Nr. 12, 2004, Seite 28–31, beschrieben. Zur Herstellung der Betonschwellen wird aufgrund der festgelegten Anforderungen bisher ausschließlich Normalbeton eingesetzt. Als Normalbeton werden im Allgemeinen alle Betonzusammensetzungen bezeichnet, die eine Trockenrohdichte im Bereich zwischen 2000 kg/m³ und 2600 kg/m³ aufweisen. Auch hier gibt es ein großes Spektrum an verschiedenen Sorten, eine Charakterisierung kann beispielsweise stattfinden durch die Angabe von Konsistenzbereichen, Expositionsklassen, Zementgehalt, dem Verhältnis der Massen von Wasser und Zement, der Verarbeitungszeit, der Korngrößenanteile, und der Festigkeit. Bezüglich der Klassifizierung wird auf die Normen DIN 1045-2 und DIN EN 206-1 verwiesen.
Auch Polymerbeton wird für die Herstellung von Bahnschwellen verwendet, wie beispielsweise in der DE 297 10 229 U1 beschrieben. In Schwellen aus Polymerbeton sind keine Spannstähle erforderlich, wodurch bei Bahnen mit Gleichstrom-Signalsystemen eine Beeinflussung durch elektrisch leitende Materialien nicht mehr stattfinden kann. Stromschienen können kostengünstig angebracht werden. Nachteilig bei der Verwendung von Polymerbeton sind jedoch die sehr hohen Materialkosten und die bisher fehlende Zulassung durch die Deutsche Bahn AG. Polymerbeton wird vorzugsweise in Gleiseindeckungssystemen eingesetzt.
In der DE 696 08 302 T2 wird eine Eisenbahnschwelle in Verbundbauweise beschrieben. Als Verbundwerkstoffe werden Beton bzw. Polymerbeton, Holz und Kunststoff mit Zusatzstoffen genannt. Durch eine Verbindung zwischen Holzkern und Betonschulter soll eine bessere Haltbarkeit erreicht werden, wobei der Holzkern beispielsweise aus gebrauchten Holzbahnschwellen bestehen kann.
Formgebung und Verdichtung des Normalbetons nach Einfüllung in die Form erfolgen in der Regel mittels Vibrationsverdichtung. Aufgrund der hohen Anforderungen insbesondere in bezug auf Festigkeit und Dauerhaftigkeit werden die Betongemenge, die zu Bahnschwellen verarbeitet werden sollen, in der Regel mit einer steifen oder sehr steifen Konsistenz ausgeführt. Auf dieser Weise können zwar einerseits verschiedene betontechnologische Eigenschaften verbessert werden, andererseits aber steigt der maschinentechnische und verarbeitungstechnische Aufwand wesentlich an, da aufgrund der steifen Konsistenz hohe Verdichtungsenergien in das Gemenge eingebracht werden müssen. Übliche Werte für Beschleunigungsamplituden während der Vibrationsverdichtung liegen bei ca. 50 m/s² und mehr, bei Erregerfrequenzen von 50 Hz und mehr. Bei solchen Beschleunigungen ist der Verschleiß der verwendeten Maschinen sehr hoch, darüber hinaus entsteht eine hohe Lärmbelastung. So setzen bekannte Vibrationseinrichtungen zur Herstellung von Betonschwellen die harmonische Erregung von Schwingungen ein, wobei die Form lediglich durch ihr Eigengewicht auf dem Schwingtisch gehalten wird. Bei den oben genannten Beschleunigungen von mehr als dem Fünffachen der Erdbeschleunigung hebt die Form vom Schwingtisch periodisch ab und schlägt anschließend wieder auf, wobei deutliche Stoßvorgänge entstehen, die zwar für die Verdichtung notwendig sind, andererseits aber eine hohe Belastung der Maschinentechnik und der Umwelt aufgrund von Lärm mit sich bringen, was auch zu gesundheitlichen Belastungen des Arbeitspersonals führt. So wurde beispielsweise bei Messungen an solchen Arbeitsplätzen Lärmeinwirkungen von bis zu 106 dB(A) bei der gleichzeitigen Verwendung von zwei Rüttelstationen gemessen.
Die Herstellung von Betonbahnschwellen im Spätentschalverfahren ist beispielsweise in der DE 198 36 320 C2 beschrieben. Bei dem Einsatz des Spätentschalverfahrens müssen eine Mindestanzahl von Schwellenformen innerhalb der Umlauffertigungsanlage bereit gehalten werden, wobei der größte Teil der Schwellenformen durch die relativ lange Zeit des Aushärtens des Betongemenges aus Normalbeton im Prozeß eingebunden ist. Diese Zeit des Aushärtens ist jedoch erforderlich, um eine Mindestfestigkeit der Betonschwelle bis zur Entschalung zu gewährleisten: die bei der Entschalung wirkenden Kräfte – insbesondere aus der plötzlich entspannenden Zugspannung der gelösten Spanndrähte – muß durch den festen Beton sicher aufgenommen werden. Bei dem bisher im Stand der Technik eingesetzten Beton mit steifer Konsistenz wird eine solche Druckfestigkeit – die geforderte Frühfestigkeit von 48 N/mm² – nach etwa 16 Stunden erreicht.
Im Stand der Technik sind außer Normalbeton auch weitere Betontypen bekannt. So ist beispielsweise sogenannter leichtverdichtbarer Beton (LVB) eine Modifikation des Normalbetons, der den entsprechenden Normen DIN EN 206-1 und DIN 1045-2 genügt. Während der für Eisenbahnschwellen verwendete Normalbeton mit einer steifen Konsistenz mindestens im Konsistenzbereich F1 bzw. C1 liegt, so liegt leichtverdichtbarer Beton im Konsistenzbereich F5 bis F6, er ist somit fließfähig bis sehr fließfähig. Diese Eigenschaften werden erreicht, indem beispielsweise der Zementleimgehalt erhöht wird und ein hochwirksames Fließmittel wie Polycarboxylatether eingesetzt wird. Aufgrund seiner Eigenschaften muß in den leichtverdichtbaren Beton nur eine geringe Verdichtungsenergie eingebracht werden. Ein Einsatz in der Bahnschwellenherstellung ist jedoch bisher nicht bekannt, da die bekannten LVB aufgrund ihrer Konsistenz auch eine lange Zeit zum Aushärten brauchen und eine ausreichende Druckfestigkeit erst später als der verwendete Normalbeton erreichen. Eine weitere Ursache ist, daß erst seit 2005 die dafür notwendigen Ausgangsstoffe, wie Fließmittel und Zusatzstoffe, von der Deutschen Bahn AG zugelassen sind. Für die Anwendung bei der Schwellenherstellung war LVB bisher daher unattraktiv.
Im Stand der Technik ebenfalls bekannt sind sogenannte selbstverdichtende Betone (SVB) mit noch höherer Fließfähigkeit als leichtverdichtbarer Beton. Selbstverdichtender Beton ist ein Hochleistungsbeton, bei dem nach dem Einbringen in das Bauwerk oder in das Bauteil keine zusätzliche Verdichtungsenergie aufgewendet werden muß. Der selbstverdichtende Beton fließt und entlüftet selbstständig und füllt dabei alle Bewehrungszwischenräume und die Schalung vollständig aus. Ein selbstverdichtender Beton weist grundsätzlich keine Fließgrenzen mehr auf, die Zusammensetzung des SVB ist so bestimmt, daß die Gesteinskörnungen und das Gemisch aus Wasser und Bindemittel eine stabile und homogene Feinkornsuspension bilden. Basis eines selbstverdichtenden Betons ist eine Mehlkornsuspension, deren desagglomerierte Feststoffpartikel einen so geringen Abstand haben, daß sie in ihrer Lage gehalten werden und sich nicht mehr durch den Einfluß der Schwerkraft absetzen und somit entmischen können. Daraus ergeben sich für den Frischbeton verbesserte Eigenschaften, die sich in einem hohen Fließvermögen und in einer damit verbesserten Verarbeitbarkeit zeigen. Durch die fehlende Verdichtungsarbeit wird das Absetzverhalten verbessert, wodurch der Beton nach Aushärtung eine gleichmäßige Kornverteilung über den gesamten Querschnitt hinweg aufweist. Geringfügige Eigenschafts- bzw. Materialänderungen der Ausgangsstoffe in der Mischungszusammensetzung können allerdings schon zu großen Veränderungen beim Verhalten des selbstverdichtenden Betons bis hin zur Entmischung führen, an die Zusammensetzung der Mischung sowie die Mischung selbst sind daher hohe Genauigkeitsanforderungen zu stellen. Selbstverdichtender Beton geht aufgrund seiner speziellen Eigenschaften – beispielsweise einem Setzfließmaß von mehr als 700 mm – und dem damit einhergehenden erhöhten Mehlkorngehalt über die Regelungen der DIN 1045-2 hinaus, die Anwendung von SVB ist jedoch inzwischen durch die Richtlinie „Selbstverdichtender Beton” des deutschen Ausschusses für Stahlbeton geregelt. Der Einsatz von selbstverdichtendem Beton bei der Herstellung von Eisenbahnschwellen ist jedoch aus den gleichen Gründen wie im Falle von leichtverdichtbarem Beton bisher nicht bekannt.
Die Herstellung von Eisenbahnbetonschwellen aus leichtverdichtbarem oder selbstverdichtendem Beton wird beispielsweise in der WO 03/104562 A1 beschrieben, ohne daß jedoch näher auf das Material, welches zur Herstellung der Eisenbahnbetonschwellen verwendet wird, eingegangen wird. Zentrales Merkmal der in der WO 03/104562 A1 beschriebenen Eisenbahnbetonschwellen ist vielmehr das Merkmal, daß sie zwischen zwei Gleisauflagebereichen ein schlaffbewehrtes Betonverbindungsstück aufweisen.
Aufgabe der Erfindung ist es, die bei der Herstellung von Bahnbetonschwellen auftretenden Lärmeinwirkungen zu verringern und bevorzugt auch die Festigkeitsentwicklung gegenüber herkömmlichen Betontypen zu beschleunigen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine leichtverdichtbare Betonmischung mit Anteilen von Zement und Wasser, wobei der Zementanteil mehr als 400 kg/m³ beträgt und im Verarbeitungszustand das Verhältnis der Masse von Wasseranteil zu Zementanteil kleiner als 0,4 ist. Die Betonmischung weist außerdem einen Anteil einer feinen Gesteinskörnung, nämlich Sand mit Korngrößen von bis zu 4 mm auf, der Anteil liegt zwischen 750 kg/m³ und 850 kg/m³. Des weiteren weist die Betonmischung einen Anteil einer ersten groben Gesteinskörnung mit Korngrößen von 8 bis 16 mm auf, dieser Anteil liegt zwischen 450 kg/m³ und 550 kg/m³, sowie einen Anteil einer zweiten groben Gesteinskörnung mit Korngrößen von 16 bis 22 mm, welcher zwischen 400 kg/m³ und 500 kg/m³ liegt. Darüber hinaus weist die leichtverdichtbare Betonmischung auch noch einen Anteil eines Fließmittels, bevorzugt Polycarboxylatether, zwischen 3,5 kg/m³ und 4,5 kg/m³ auf. Die Verwendung eines Fließmittels ist für das Erreichen einer fließfähigen Konsistenz der leichtverdichtenden Betonmischung notwendig. Die Kornzusammensetzung ist gemäß DIN 1045-2 als grob- bis mittelkörnig einzuordnen. Indem zunächst leichtverdichtbarer Beton bei der Herstellung stahlbewehrter Betonschwellen verwendet wird, kann die Lärmemission während der Formgebungsverdichtung wesentlich reduziert werden, da schwingungstechnisch mit geringeren Beschleunigungen gearbeitet werden kann. Bei dem genannten Zementanteil und dem Massenverhältnis im Verarbeitungszustand werden außerdem die durch die Normen vorgegebenen Bedingungen erfüllt sowie darüber hinaus eine hohe Frühfestigkeit erreicht. Der Mehlkornanteil in der Betonmischung beträgt dabei weniger als 550 kg/m³ gemäß DIN 1045-2. Unter Mehlkorn werden dabei alle Anteile mit einer Körnung von weniger als 0,125 mm verstanden, dazu gehören beispielsweise Anteile des Feinstsandes, des Zements und eventuell von Betonzusatzstoffen wie Steinmehl, Traß, Flugasche oder Farbpigmente.
Als Zement verwendet man bevorzugt einen Normzement gemäß DIN EN 197 mit einer hohen Anfangsfestigkeit, bevorzugt einen Zement mit einer der Festigkeitsklassen 42,5 R oder 52,5 R, beispielsweise CEM I 52,5 R. Bei der Verwendung eines solchen Zements mit einer hohen Anfangsfestigkeit ergibt sich eine hohe Frühfestigkeit des Betons, diese beträgt mindestens 48 N/mm² und wird gegenüber dem Stand der Technik in einem Dreiviertel der bisher notwendigen Zeit erreicht.
Leichtverdichtbare Betonmischungen können Anteile mindestens eines Zusatzstoffs gemäß EN 206-1:2000 aus der Gruppe Flugasche, Silika, Traß (Typ II) oder Gesteinsmehl (Typ I) aufweisen. Dies sind Zusatzstoffe, die den Normen EN 450, EN 12620 und DIN 51043 genügen, sie werden verwendet, um beispielsweise vorteilhaft Konsistenz und Verarbeitbarkeit des Frischbetons zu beeinflussen. Der Anteil der Zusatzstoffe insgesamt liegt bei bis zu 120 kg/m³.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung liegt der Zementanteil in der Betonmischung zwischen 400 kg/m³ und 530 kg/m³, sowie der Wasseranteil zwischen 120 kg/m³ und 210 kg/m³, wobei das oben genannte Massenverhältnis von Wasseranteil zu Zementanteil einzuhalten ist. Auch Gesteinskörnungen der Korngruppe 4/8 sowie 22/32 können in der Betonmischung enthalten sein.
Diese leichtverdichtbare Betonmischung ist besonders gut zur Fertigung von stahlbewehrten Bahnschwellen geeignet, da sie die entsprechenden Anforderungen ohne weiteres erfüllt. Durch die Verwendung von leichtverdichtbaren Betonmischungen lassen sich die Lärmemissionen während Formgebung und Verdichtung wesentlich reduzieren. Die Verdichtung erfolgt bevorzugt mittels harmonischer Vibration bei Erregerfrequenzen bis zu 200 Hz, wobei die notwendigen Beschleunigungsmaxima jedoch geringer als im Stand der Technik sind. Für Erregerfrequenzen von weniger als 20 Hz beträgt die Beschleunigung höchsten das Anderthalbfache der Erdbeschleunigung, für Erregerfrequenzen zwischen 20 Hz und 50 Hz höchstens das Dreifache und für Erregerfrequenzen zwischen 50 Hz und 200 Hz bis zum Fünffachen der Erdbeschleunigung.
Alternativ kann die leichtverdichtbare Betonmischung nach der Befüllung in der Form auch durch die Eintragung nichtharmonischer, jedoch periodisch niederfrequenter Schwingungen mit einer Grundfrequenz von ca. 20 Hz und tiefer verdichtet werden. Der Eintrag erfolgt bevorzugt in Form von gemäßigten Stoßimpulsen mit starker Dämpfung und Beschleunigungen von bis zum Zehnfachen der Erdbeschleunigung. Die dabei entstehenden Lärmemissionen liegen aufgrund der niederfrequenten Grundschwingung und der stark gedämpften Weg-Zeit-Funktion deutlich unterhalb der Emissionen von Vibrationsmaschinen für bekannte Betongemenge entsprechend dem Stand der Technik.
Der mit der erfindungsgemäßen Rezeptur hergestellte Beton erfüllt nicht nur die anzuwendenden Normen bei der Herstellung von Betonbahnschwellen, aufgrund der höheren Frühfestigkeit gegenüber Normalbeton werden auch deutlich weniger Schwellenformen im Fertigungszyklus gebunden, was zu Kosteneinsparungen führt, da weniger der kostenintensiven Schwellenformen bei der Herstellung benötigt werden.
Die Aufgabe wird auch durch eine selbstverdichtende Betonmischung mit Anteilen von Zement und Wasser gelöst, wobei der Zementanteil mehr als 400 kg/m³ beträgt und im Verarbeitungszustand das Verhältnis der Massen von Wasseranteil und Zementanteil kleiner als 0,4 ist. Die Betonmischung weist außerdem einen Anteil einer feinen Gesteinskörnung, nämlich Sand mit Korngrößen von bis zu 4 mm auf, dieser Anteil liegt zwischen 840 kg/m³ und 940 kg/m³. Des weiteren weist die Betonmischung einen Anteil einer groben Gesteinskörnung mit Korngrößen von 8 bis 16 mm auf, dieser Anteil liegt zwischen 680 kg/m³ und 780 kg/m³, sowie einen Anteil eines oder mehrerer Zusatzstoffe aus der Gruppe Flugasche, Silika, Traß oder Gesteinsmehle, wobei der Anteil der Zusatzstoffe insgesamt zwischen 20 kg/m³ und 120 kg/m³ beträgt. Außerdem weist die Betonmischung auch einen Anteil eines Fließmittels, bevorzugt Polycarboxylatether, auf, der zwischen 4,5 kg/m³ und 5,5 kg/m³ liegt. Der höhere Anteil des Fließmittels als bei der leichtverdichtenden Betonmischung ist notwendig, um die Eigenschaft der Selbstverdichtung zufriedenstellend zu erreichen. Die Kornzusammensetzung ist gemäß DIN 1045-2 als fein- bis mittelkörnig einzuordnen. Bei dem genannten Zementanteil und dem Verhältnis der Massen von Wasseranteil zu Zementanteil werden die durch die Normen und Vorschriften vorgegebenen Bedingungen für die Herstellung und Qualität von Betonbahnschwellen erfüllt. Darüber hinaus wird eine hohe Frühfestigkeit erreicht. Als Zement verwendet man bevorzugt einen Normzement gemäß DIN EN 197 mit einer hohen Anfangsfestigkeit, bevorzugt mit einer der Festigkeitsklassen 42,5 R oder 52,5 R, besonders bevorzugt CEM I 52,5 R. Ebenso wie bei der leichtverdichtbaren Betonmischung lassen sich auch andere Zementsorten verwenden, bei den bevorzugt verwendeten Zementsorten ergibt sich jedoch eine besonders hohe Frühfestigkeit. Diese muß mindestens 48 N/mm² betragen, wenn der Beton entsprechend den technischen Lieferbedingungen BN 918143 nachbehandelt wird, und wird gegenüber dem Stand der Technik in einem Dreiviertel der bisher notwendigen Zeit erreicht. Die Zusatzstoffe beeinflussen beispielsweise die Verarbeitbarkeit des Frischbetons oder den Festigkeitsverlauf des Festbetons. Die Verarbeitbarkeit der selbstverdichtenden Betonmischung wird weiter verbessert, wenn der Mehlkorngehalt mindestens 550 kg/m³ beträgt, auf diese Weise wird die Eigenschaft der Selbstverdichtung verbessert.
Einen Beton, der die geforderten Eigenschaften besonders gut erfüllt, erhält man, wenn der Zementanteil in der Betonmischung zwischen 450 kg/m³ und 550 kg/m³ liegt und der Wasseranteil zwischen 135 kg/m³ und 220 kg/m³. Für die genannten Bestandteile Zement und ein oder mehrere Zusatzstoffe wird die Eigenschaft des Betons wesentlich auch durch die Korngrößen der verschiedenen Materialanteile bestimmt. Auch ein Anteil einer Gesteinskörnung der Korngruppe 4/8 kann in der selbstverdichtenden Betonmischung enthalten sein.
Die eben beschriebene selbstverdichtende Betonmischung ist besonders gut für stahlbewehrte Betonbahnschwellen geeignet, insbesondere auch bei der Herstellung solcher Bahnschwellen mit einem Spätentschalverfahren. Dabei wird in eine Form eine Stahlbewehrung eingelegt und vorgespannt, anschließend wird die Form mit einer Betonmischung gefüllt. Nach einer vorgegebenen Vorlagerzeit wird die Form mit dem Beton in einer Erhärtungskammer erwärmt und nach der Erhärtung des Betons wird die Stahlbewehrung entspannt und die Betonbahnschwelle entschalt. Auch stahlbewehrte Bahnschwellen aus leichtverdichtbarem Beton lassen sich bevorzugt in einem solchen Spätentschalverfahren herstellen.
Während bei der Verwendung einer leichtverdichtbaren Betonmischung zur Herstellung von stahlbewehrten Bahnschwellen diese nach der Befüllung mittels harmonischer Vibration verdichtet wird, so ist dies bei der Verwendung einer selbstverdichtenden Betonmischung nicht notwendig. Auf Vibrationsverfahren wie eingangs beschrieben kann vollständig verzichtet werden, was den Anlagenverschleiß drastisch vermindert und zu einer höheren Lebensdauer der Anlagenkomponenten führt. Auch die Lärmemissionen durch die Vibration fallen weg, die Arbeitsbedingungen für das Personal verbessern sich spürbar.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand zweier Mischungen erläutert. Eine erste Mischung betrifft eine leichtverdichtbare Betonmischung, die insbesondere geeignet ist, zur Herstellung stahlbewehrter Bahnschwellen verwendet zu werden. Diese Betonmischung weist einen Zementanteil an Zement CEM I 52,5 R zwischen 400 kg/m³ und 530 kg/m³ auf. Zur Betonverarbeitung wird der Zement mit Wasser gemischt, der Wasseranteil liegt zwischen 120 kg/m³ und 210 kg/m³. Die Mengen können variiert werden, wobei jedoch darauf geachtet werden muß, daß das Verhältnis der Massen von Wasseranteil und Zementanteil kleiner als 0,4 ist. Die Betonmischung enthält außerdem einen oder mehrere Zusatzstoffe aus der Gruppe Flugasche, Silika, Traß oder Gesteinsmehl. Der Anteil an Zusatzstoffen beträgt bis zu 120 kg/m³. Bezüglich der Korngrößen weist die leichtverdichtbare Betonmischung einen Anteil einer feinen Gesteinskörnung, nämlich Sand mit Korngrößen von bis zu 4 mm zwischen 750 kg/m³ und 850 kg/m³ auf. Der Mehlkornanteil mit Korngrößen von weniger als 0,125 mm beträgt dabei höchstens 550 kg/m³. Die Betonmischung weist außerdem einen Anteil einer ersten groben Gesteinskörnung mit Korngrößen von 8 mm bis 16 mm auf, der zwischen 450 kg/m³ und 550 kg/m³ liegt, sowie einen Anteil einer zweiten groben Gesteinskörnung mit Korngrößen zwischen 16 mm und 22 mm, der zwischen 400 kg/m³ und 500 kg/m³ liegt. Auch Gesteinskörnungen der Korngruppen 4/8 sowie 22/32 können in der Betonmischung enthalten sein. Darüber hinaus muß die leichtverdichtbare Betonmischung noch einen Fließmittelanteil zwischen 3,5 kg/m³ und 4,5 kg/m³ aufweisen, um die erhöhte Fließfähigkeit gegenüber steiferen Betonmischungen zu erreichen sowie eine Verdichtung mit geringerem Energieeintrag zu ermöglichen. Als Fließmittel wird bevorzugt Polycarboxylatether verwendet, die Verwendung anderer, zugelassener Fließmittel ist ebenfalls möglich.
Eine selbstverdichtende Betonmischung, die besonders gut für die Verwendung bei stahlbewehrten Betonbahnschwellen geeignet ist, weist ebenfalls einen hohen Zementanteil zwischen 450 kg/m³ und 550 kg/m³ auf. Der Wasseranteil liegt zwischen 135 kg/m³ und 220 kg/m³. Wichtig ist, daß das Verhältnis der Massen von Wasseranteil zum Zementanteil kleiner als 0,4 ist, um die hohe Frühfestigkeit und die geforderte Qualität des Endprodukts zu erreichen. Neben Zement und Wasser weist die Betonmischung im Verarbeitungszustand noch Anteile eines oder mehrerer Zusatzstoffe aus der Gruppe Flugasche, Silika, Traß oder Gesteinsmehl auf. Deren Anteil liegt insgesamt in der Regel zwischen 20 kg/m³ und 120 kg/m³. Die Eigenschaft der Selbstverdichtung ohne Vibration wird außerdem durch einen hohen Mehlkorngehalt mit mindestens 550 kg/m³ sowie einen hohen Fließmittelanteil zwischen 4,5 kg/m³ und 5,5 kg/m³ erreicht. Als Fließmittel eignet sich wiederum beispielsweise Polycarboxylatether, aber auch weitere im Stand der Technik zugelassene Fließmittel können verwendet werden. Aufgrund des erhöhten Mehlkorngehalts ist der Anteil einer feinen Gesteinskörnung, nämlich Sand mit Korngrößen von bis zu 4 mm, eher hoch, er liegt zwischen 840 kg/m³ und 940 kg/m³. Die selbstverdichtende Betonmischung weist darüber hinaus im Verarbeitungszustand einen Anteil einer groben Gesteinskörnung mit Korngrößen zwischen 8 mm und 16 mm auf. Der Anteil liegt zwischen 680 kg/m³ und 780 kg/m³. Auch eine Gesteinskörnung der Korngruppe 4/8 kann in der Betonmischung enthalten sein.
Beide Betone weisen eine besonders hohe Frühfestigkeit auf, die gegenüber dem Stand der Technik bei einer Nachbehandlung entsprechend BN 918143:2005 in einer bis zu einem Viertel kürzeren Zeit erreicht wird.
Sowohl die leichtverdichtbare als auch die selbstverdichtende Betonmischung können bei der Herstellung von stahlbewehrten Bahnschwellen verwendet werden, insbesondere eigenen sich die Betonmischungen für die Herstellung solcher Bahnschwellen im Spätentschalverfahren, da aufgrund der hohen Frühfestigkeit die Zeit, die benötigt wird, damit der Beton soweit erhärtet ist, daß die Form entspannt und entfernt werden kann, gegenüber im Stand der Technik bekannten Betontypen verringert wird. Dies hat eine Kosteneinsparung zur Folge, da weniger Formen bereit gehalten werden müssen. Beim Spätentschalverfahren wird in eine Form eine Stahlbewehrung eingelegt und vorgespannt, sodann wird die Form mit der Betonmischung befüllt. Anschließend erfolgt Verdichtung und Nachbehandlung.
Während die selbstverdichtende Betonmischung ohne weiteres und ohne Einsatz eines Vibrationsverfahrens verdichtet, wird zur Verdichtung der leichtverdichtbaren Betonmischung die Behandlung des Frischbetons nach der Befüllung mittels Schwingungseintrags zur Verdichtung notwendig. Dies kann zum einen mittels harmonischer Vibration bei Erregerfrequenzen von bis zu 200 Hz geschehen, wobei die Beschleunigungen für Erregerfrequenzen unter 20 Hz höchstens das Anderthalbfache, für Erregerfrequenzen zwischen 20 Hz und 50 Hz höchstens das Dreifache und Erregerfrequenzen zwischen 50 Hz und 200 Hz höchstens das Fünffache der Erdbeschleunigung betragen. Anstelle von harmonischer Vibration kann der Beton nach der Befüllung der Form auch mit Eintragung nichtharmonischer, periodisch niederfrequenter Schwingungen verdichtet werden, dies geschieht bevorzugt in Form von gemäßigten Stoßimpulsen mit Beschleunigungen von bis zum Zehnfachen der Erdbeschleunigung.

Claims

Leichtverdichtbare Betonmischung mit Anteilen von Zement und Wasser, – wobei der Zementanteil mehr als 400 kg/m³ beträgt und im Verarbeitungszustand das Verhältnis der Massen von Wasseranteil zu Zementanteil kleiner als 0,4 ist, – mit einem Anteil einer feinen Gesteinskörnung, nämlich Sand mit Korngrößen von bis zu 4 mm, der zwischen 750 kg/m³ und 850 kg/m³ liegt, – einem Anteil einer ersten groben Gesteinskörnung mit Korngrößen von 8 bis 16 mm, der zwischen 450 kg/m³ und 550 kg/m³ liegt, – einem Anteil einer zweiten groben Gesteinskörnung mit Korngrößen von 16 bis 22 mm, der zwischen 400 kg/m³ und 500 kg/m³ liegt, und – einem Anteil eines Fließmittels, der zwischen 3,5 kg/m³ und 4,5 kg/m³ liegt.
Leichtverdichtbare Betonmischung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zement im Beton ein Normzement gemäß DIN EN 197 mit einer hohen Anfangsfestigkeit, bevorzugt mit einer der Festigkeitsklassen 42,5 R oder 52,5 R, bevorzugt CEM I 52,5 R, ist.
Leichtverdichtbare Betonmischung nach einem der Ansprüche 1 oder 2 mit Anteilen mindestens eines Zusatzstoffs aus der Gruppe Flugasche, Silika, Traß oder Gesteinsmehl, wobei der Anteil der Zusatzstoffe insgesamt bei bis zu 120 kg/m³ liegt.
Leichtverdichtbare Betonmischung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zementanteil zwischen 400 kg/m³ und 530 kg/m³ liegt und der Wasseranteil zwischen 120 kg/m³ und 210 kg/m³.
Leichtverdichtbare Betonmischung nach Anspruch 4 mit Anteilen einer Gesteinskörnung der Korngruppe 4/8.
Leichtverdichtbare Betonmischung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Fließmittel Polycarboxylat-Ether ist.
Selbstverdichtende Betonmischung mit Anteilen von Zement und Wasser, – wobei der Zementanteil mehr als 400 kg/m³ beträgt und im Verarbeitungszustand das Verhältnis der Massen von Wasseranteil zu Zementanteil kleiner als 0,4 ist, – mit einem Anteil einer feinen Gesteinskörnung, nämlich Sand mit Korngrößen von bis zu 4 mm, der zwischen 840 kg/m³ und 940 kg/mm³ liegt, – einem Anteil einer groben Gesteinskörnung mit Korngrößen von 8 bis 16 mm, der zwischen 680 kg/m³ und 780 kg/m³ liegt, – einem Anteil eines oder mehrerer Zusatzstoffe aus der Gruppe Flugasche, Silika, Traß oder Gesteinsmehl, wobei der Anteil der Zusatzstoffe insgesamt zwischen 20 kg/m³ und 120 kg/m³ liegt, und – einem Anteil eines Fließmittels, der zwischen 4,5 kg/m³ und 5,5 kg/m³ liegt.
Selbstverdichtende Betonmischung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Zement ein Normzement gemäß DIN EN 197 mit einer hohen Anfangsfestigkeit, bevorzugt mit einer der Festigkeitsklassen 42,5 R oder 52,5 R ist, bevorzugt CEM I 52,5 R.
Selbstverdichtende Betonmischung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Zementanteil zwischen 450 kg/m³ und 550 kg/m³ liegt und der Wasseranteil zwischen 135 kg/m³ und 220 kg/m³.
Selbstverdichtende Betonmischung nach Anspruch 9 mit einem Anteil einer Gesteinskörnung der Korngruppe 4/8.
Selbstverdichtende Betonmischung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Fließmittel Polycarboxylatether ist.
Selbstverdichtende Betonmischung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Mehlkorngehalt mindestens 550 kg/m³ beträgt.
Stahlbewehrte Bahnschwelle aus leichtverdichtbarem oder selbstverdichtendem Beton nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
Verwendung einer leichtverdichtbaren oder selbstverdichtenden Betonmischung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zur Herstellung von stahlbewehrten Bahnschwellen mit einem Spätentschalverfahren, bei dem (i) in eine Form eine Stahlbewehrung eingelegt und vorgespannt wird, (ii) die Form mit der Betonmischung befüllt wird, (iii) nach einer vorgegebenen Vorlagerzeit die Form mit dem Beton in einer Erhärtungskammer erwärmt wird, (iv) nach der Erhärtung des Betons die Stahlbewehrung entspannt wird und (v) die Betonbahnschwelle entschalt wird.
Verwendung nach Anspruch 14, sofern auf die Ansprüche 1 bis 6 rückbezogen, dadurch gekennzeichnet, daß die Betonmischung nach der Befüllung der Form mittels Vibration, bevorzugt mittels harmonischer Vibration bei Erregerfrequenzen bis zu 200 Hz verdichtet wird, wobei die Beschleunigung für Erregerfrequenzen unter 20 Hz höchstens das anderthalbfache, für Erregerfrequenzen zwischen 20 Hz und 50 Hz höchstens das dreifache, und für Erregerfrequenzen zwischen 50 Hz und 200 Hz höchstens das fünffache der Erdbeschleunigung beträgt.
Verwendung nach Anspruch 14, sofern auf die Ansprüche 1 bis 6 rückbezogen, dadurch gekennzeichnet, daß die Betonmischung nach der Befüllung der Form verdichtet wird, indem in die Betonmischung nichtharmonische, periodisch niederfrequente Schwingungen eingetragen werden, bevorzugt in Form von Stoßimpulsen mit Beschleunigungen von bis zum zehnfachen der Erdbeschleunigung.