DE102008037171B4

DE102008037171B4 - Leichtverdichtbare oder selbstverdichtende Betonmischung, Verwendung solcher Mischungen und Bahnschwelle aus Beton

Info

Publication number: DE102008037171B4
Application number: DE200810037171
Authority: DE
Inventors: Attila Höchst; Jürgen MARTIN; Jörg-Henry Dr. Schwabe; Werner Fiegl; Stephan Dr. Freudenstein
Original assignee: Institut fuer Fertigteiltechnik und Fertigbau Weimar eV
Current assignee: Institut fuer Fertigteiltechnik und Fertigbau Weimar eV
Priority date: 2008-08-06
Filing date: 2008-08-06
Publication date: 2010-06-17
Anticipated expiration: 2028-08-07
Also published as: DE102008037171A1; DE102008037171B8

Abstract

Leichtverdichtbare Betonmischung,
– mit einem Zementanteil von mindestens 400 kg/m³,
– mit einem Wasseranteil, bei dem im Verarbeitungszustand das Verhältnis der mit Massen von Wasseranteil zu Zementanteil kleiner als 0,4 ist,
– mit einem Anteil eines Fließmittels zwischen 8 kg/m³ und 10 kg/m³,
– sowie mit Zuschlägen in Form von
• 750 kg/m³ bis 850 kg/m³ einer feinen Gesteinskörnung mit Korngrößen bis zu 4 mm und
• 900 kg/m³ bis 1000 kg/m³ einer groben Gesteinskörnung mit Korngrößen zwischen 8 mm und 16 mm, die mindestens teilweise aus Betonrezyklat besteht,
wobei der Mehlkorngehalt der Betonmischung mit Korngrößen kleiner als 0,125 mm weniger als 550 kg/m³ beträgt.

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-Soll-Kennwerte 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 notwendig 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 Formen, die eine Mindestproduktqualität garantieren sollen, einzuhalten. Allgemein müssen Bahnschwellen aus Beton die Normenreihe DIN EN13230 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 zum Beispiel eine Druckfestigkeit von mindestens C50/60 nach DIN EN206-1, eine einzuhaltende Betonüberdeckung nach DIN EN13230-1, 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 Schalenformen 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 Bewehrungsstahls läßt zwar eine bessere Produktflexibilität aufgrund einer deutlich geringeren Anzahl von Formen zu, da individueller auf Kundenwünsche eingegangen werden kann, erfordert aber andererseits einen höheren Arbeitsaufwand, so daß das Sofortentschalverfahren vorzugsweise für kleine bis mittlere Produktionsstückzahlen geeignet ist. Für die Massenproduktion von Standardschwellen ist es aufgrund des geringen 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 sogenannten 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-Signal-Systemen eine Beeinflussung von elektrisch leitenden 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 D2 wird ein Eisenbahnschwelle in Verbundbauweise beschrieben. Als Verbundwerkstoff werden Beton bzw. Polymerbeton, Holz und Kunststoff mit Füllstoffen 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 Form 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 diese 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 circa 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 wurden 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. Beim 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 einen Mindestfestigkeit der Betonschwelle bis zur Entschalung zu gewährleisten: Die bei der Entschaltung 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 Eisenbahnbetonschwellen verwendeten 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. Zwar lassen sich LVB grundsätzlich auch für die Bahnschwellenherstellung verwenden, jedoch werden Bahnschwellen aus LVB bisher nicht im Spätentschalverfahren hergestellt, 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 liegt darin, daß erst seit 2005 die für LVB notwendigen Ausgangsstoffe – beispielsweise 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 selbständig 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 einen 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 mit Schwierigkeiten verbunden.
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.
In der nachveröffentlichten älteren Patentanmeldung der DE 10 2007 063 455 A1 werden leichtverdichtbare und selbstverdichtende Betone beschrieben, mit denen die bei der Herstellung von Bahnschwellen auftretenden Lärmeinwirkungen verringert werden können, und welche eine beschleunigte Festigkeitsentwicklung zeigen.
Die Ausgangsstoffe für Beton werden in der Regel durch Abbau aus Steinbrüchen etc. gewonnen und bis zu vorgegebenen Korngrößen zermahlen. Es handelt sich jedoch um nicht nachwachsende Rohstoffe, so daß es aus ökologischen Gründen sinnvoll und geboten wäre, diese natürlichen Ressourcen, wie Sand und Gestein, zu schonen. Eine Möglichkeit besteht darin, alte Betonteile zu rezyklieren, d. h. insbesondere von Fremdstoffen zu befreien und zu zerkleinern, und einen Teil des Materials durch neues Material zu ersetzen. Im Hausbau wird dies beispielsweise schon vereinzelt praktiziert. Bei der Herstellung von Eisenbahnschwellen, die aufgrund der starken Belastungen eine Vielzahl strenger Normen erfüllen müssen, stößt die Verwendung von rezykliertem Beton jedoch auf Schwierigkeiten, da nämlich die Qualitäten von Betonrezyklaten sehr unterschiedlich sein können, so daß die Erfüllung der Normen für Betonschwellen mit Rezyklatanteilen äußerst schwierig erscheint, da bei dem Rezyklat starke Schwankungen der notwendigen Eigenschaften auftreten können, was die Verarbeitung von Betongemenge mit Rezyklatanteil erschwert.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, leichtverdichtende und selbstverdichtende Betonmischungen für die Herstellung von Betonbahnschwellen zu entwickeln, bei dem ein möglichst hoher Anteil der natürlichen Ausgangsstoffe durch Betonrezyklat ersetzt wird, wobei die Qualität des Endproduktes die einschlägigen Normen an die Qualität einer Betonbahnschwelle erfüllen soll.
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 Massen von Wasseranteil zu Zementanteil kleiner als 0,4 ist. Die Betonmischung weist außerdem Zuschläge in Form von 750 kg/m³ bis 850 kg/m³ einer feinen Gesteinskörnung mit Korngrößen bis zu 4 mm auf, und 900 kg/m³ bis 1000 kg/m³ einer groben Gesteinskörnung mit Korngrößen zwischen 8 mm und 16 mm. Bei dieser Betonmischung beträgt der Mehlkorngehalt mit Korngrößen kleiner als 0,125 mm weniger als 550 kg/m³ und die grobe Gesteinskörnung besteht mindestens teilweise aus Betonrezyklat. Die Kornzusammensetzung ist daher gemäß DIN 1045-2 als grob- bis mittelkörnig einzuordnen. Je größer der Anteil von Betonrezyklat in der groben Gesteinskörnung ist, desto besser werden vorhandene Ressourcen geschont. Bei der erfindungsgemäßen Zusammensetzung, wie oben beschrieben, ist es insbesondere auch möglich, für die grobe Gesteinskörnung ausschließlich Betonrezyklat zu verwenden.
Schließlich weist die leichtverdichtbare Betonmischung auch noch einen Anteil eines Fließmittels auf, der zwischen 8 kg/m³ und 10 kg/m³ liegt. Die Verwendung eines Fließmittels ist für das Erreichen einer fließfähigen Konsistenz der leichtverdichtbaren Betonmischung notwendig. Als Fließmittel wird bevorzugt Polycarboxylatether verwendet.
Bevorzugt weisen die Körner des Betonrezyklats eine polygonale, annähernd kubische Struktur mit Maximalabmessungen, die in den drei orthogonalen Raumrichtungen im wesentlichen gleich sind bzw. im gleichen Bereich liegen, auf. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem man die Betonteile, aus denen das Rezyklat erzeugt werden soll, mittels des Prallbrechverfahrens bricht. Dabei prallt das zu brechende Material mit hoher kinetischer Energie mit Werkzeugkonturen zusammen und wird aufgrund von Spannungsspitzen im Material zerschlagen. Die kinetische Energie zur Erzeugung des Prallvorganges wird durch Beschleunigung des Werkstoffes, durch schnelle Bewegungen des Werkzeuges oder durch Kombination beider Varianten erzeugt. Die so erzeugten Rezyklatkörner weisen eine mehr oder weniger von der idealen Kugelform abweichende polygonale Form auf, die Abmessungen, insbesondere auch die Maximalabmessungen in den drei orthogonalen Raumrichtungen sind jedoch im Mittel etwa gleich. Deshalb spricht man von einer im wesentlichen kubischen Struktur, im Unterschied zur plattenförmigen Struktur von Rezyklatkörnern, die beispielsweise im Backenbrechverfahren – hier wird das Material in einem keilförmigen Brechraum mit sich bewegenden Backen mit hoher Kraft zerdrückt – erzeugt werden: Hier sind die – maximalen – Abmessungen in zwei Raumrichtungen etwa gleich, in der dritten allerdings – auch im Mittel – deutlich kleiner als in den anderen beiden. Es hat sich jedoch ergeben, daß die Plattenform gegenüber der kubischen Form Nachteile in bezug auf die Eigenschaften des Festbetons, in dem das Rezyklat dann verwendet wird, aufweist. So wird beispielsweise die Druckfestigkeit gegenüber Beton, in dem Rezyklat mit Körnern kubischer Form verwendet wird, verringert.
Bevorzugt wird das Betonrezyklat dabei aus gebrauchten Betonbahnschwellen hergestellt. Dies ist insofern vorteilhaft, da zumindest bei neueren Bahnschwellen bekannt ist, daß der ursprünglich verwendete Beton die einschlägigen Normen erfüllt hat, und die Eigenschaften des festen Betons bekannt sind. Somit kann man davon ausgehen, daß bei der Verwendung eines solchen Rezyklats die notwendigen Eigenschaften besser und gleichmäßiger erreicht werden, als dies bei der Verwendung eines Rezyklats aus beliebigen Betonteilen möglich ist. Besonders vorteilhaft ist es, wenn dabei gebrauchte Betonschwellen sortenrein verwendet werden, d. h. daß für eine Charge Betonrezyklat möglichst nur solche alten Bahnschwellen verwendet werden, bei denen der Beton im Vergleich der alten Schwellen untereinander im wesentlichen die gleiche Zusammensetzung aufweist.
Gemäß DIN 1045-2 liegt der Mehlkornanteil in der Betonmischung bei weniger als 550 kg/m³. 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 Zusatzstoffen, wie Steinmehl, Traß, Flugasche oder Farbpigmenten. Bei dem genannten Zementanteil und dem Massenverhältnis im Verarbeitungszustand werden außerdem die durch die Normen vorgegebenen Bedingungen erfüllt, es wird darüber hinaus eine hohe Frühfestigkeit erreicht. Schließlich lassen sich auch die Lärmemissionen während der Formgebungsverdichtung reduzieren, da schwingungstechnisch mit geringeren Beschleunigungen gearbeitet werden kann.
Leichtverdichtbare Betonmischungen können Anteile mindestens eines Zusatzstoffes der Gruppe Flugasche, Silika, Traß oder Gesteinsmehl 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. Die leichtverdichtbare Betonmischung kann Anteile eines oder mehrerer Zusatzstoffe aufweisen, der Gesamtanteil von Zusatzstoffen zusammen beträgt jedoch nicht mehr als 100 kg/m³.
Der Zementanteil muß mindestens 400 kg/m³ betragen, er liegt vorteilhaft zwischen 450 kg/m³ und 530 kg/m³. Der Wasseranteil kann beispielsweise zwischen 175 kg/m³ und 210 kg/m³ liegen, wobei auf die Einhaltung des Massenverhältnisses von kleiner als 0,4 zu achten ist. Innerhalb dieser Anteilsbereiche erfüllt die Betonmischung die vorgegebenen Normen und läßt sich gut verarbeiten, die Bereichsgrenzen bilden jedoch nur die Bereiche ab, in denen dies besonders gut gelingt, es ist jedoch nicht ausgeschlossen, daß die Normen auch erfüllt werden, wenn der Anteil eines oder mehrerer Bestandteile etwas außerhalb dieser Bereiche liegt.
Als Zement verwendet man bevorzugt einen Normzement gemäß DIN EN 197 mit einer hohen Anfangsfestigkeit, bevorzugt einen Zement 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.
Diesee leichtverdichtbare Betonmischung ist besonders gut zur Fertigung von stahlbewehrten Bahnschwellen geeignet, da er die entsprechenden Anforderungen ohne weiteres erfüllt. Durch die Verwendung einer leichtverdichtbaren Betonmischung lassen sich die Lärmemissionen wahrend der Formgebung und Verdichtung wesentlich reduzieren. Die Verdichtung erfolgt bevorzugt mittels harmonischer Vibration bei Erregerfrequenzen von 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 höchstens das Anderthalbfache der Erdbeschleunigung, für Erregerfrequenzen zwischen 20 Hz und 50 Hz höchsten 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 nicht harmonischer, jedoch periodisch niederfrequenter Schwingungen mit einer Grundfrequenz von circa 20 Hz und tiefer verdichtet werden. Der Eintrag erfolgt bevorzugt in Form von gemäßigten Stoßimpulsen mit starker Dämpfung und Beschleunigung 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. Durch die Verwendung von Rezyklat können außerdem wertvolle Rohstoffe geschont werden, da die notwendigen Stoffe im wesentlichen schon in den hochwertigen, gebrauchten Bahnschwellen vorhanden sind, die auf diese Weise nicht auf einer Abfalldeponie gelagert werden müssen, sondern wiederverwertet werden können.
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 zu Zementanteil kleiner als 0,4 ist. Die selbstverdichtende Betonmischung weist außerdem Zuschläge in Form von 840 kg/m³ bis 940 kg/m³ einer feinen Gesteinskörnung mit Korngrößen bis zu 4 mm auf, und 680 kg/m³ bis 780 kg/m³ einer groben Gesteinskörnung mit Korngrößen zwischen 8 mm und 16 mm auf. Um eine gute Verarbeitbarkeit der selbstverdichtenden Betonmischung zur erreichen, beträgt der Mehlkornanteil mit Korngrößen von weniger als 0,125 mm mindestens 550 kg/m³, auf diese Weise wird die Selbstverdichtung unterstützt. Die grobe Gesteinskörnung besteht dabei mindestens teilweise aus Betonrezyklat. Auf diese Weise werden natürliche Ressourcen und Rohstoffe geschont, Deponien werden entlastet. Die Kornzusammensetzung ist gemäß DIN 1045-2 als fein- bis mittelkörnig einzuordnen. Auch hier ist es insbesondere möglich, für die grobe Gesteinskörnung ausschließlich Betonrezyklat zu verwenden.
Schließlich wird der selbstverdichtenden Betonmischung außerdem ein Fließmittel beigemischt, dessen Anteil zwischen 8 kg/m³ und 10 kg/m³ an der Gesamtmischung beträgt. Dies verbessert die Fließfähigkeit der Betonmischung bei der Einfüllung in die Formen. Als Fließmittel verwendet man bevorzugt Polycarboxylatether.
Während grundsätzlich die Verwendung beliebiger Betonteile zur Herstellung des Betonrezyklats möglich ist, verwendet man bevorzugt gebrauchte Betonbahnschwellen zur Herstellung des Betonrezyklats. Der Vorteil liegt darin, daß die gebrauchten Bahnschwellen meistens aus hochwertigem Beton hergestellt sind und, was ihre Zusammensetzung betrifft, die geltenden Normen erfüllen, so daß alle Inhaltsstoffe grundsätzlich bedenkenlos bei der Herstellung von Betonbahnschwellen verwendet werden können. Die Bahnschwellen, deren feste Betoneigenschaften bekannt sind, werden vorzugsweise im Prallbrechverfahren zerkleinert, so daß die Körner im Betonrezyklat eine von der idealen Kugelform mehr oder weniger abweichende polygonale Struktur aufweisen, wobei die Abmessungen, insbesondere auch die Maximalabmessungen, in den drei orthogonalen Raumrichtungen im Mittel etwa gleich sind. Man spricht dann von einer im wesentlichen kubischen Struktur.
Bevorzugt weist die selbstverdichtende Betonmischung auch Anteile mindestens eines Zusatzstoffes der Gruppe Flugasche, Silika, Traß oder Gesteinsmehl auf. Diese beeinflussen beispielsweise die Verarbeitbarkeit des Frischbetons oder den Festigkeitsverlauf des Festbetons. Der Betonmischung können ein oder mehrere Zusatzstoffe beigemischt werden, insgesamt liegt der Anteil an Zusatzstoffen zusammengenommen zwischen 20 kg/m³ und 120 kg/m³.
Bevorzugt liegt der Zementanteil zwischen 450 kg/m³ und 550 kg/m³, der Wasseranteil zwischen 135 kg/m³ und 220 kg/m³. In diesem Fall werden die geforderten Eigenschaften besonders gut erfüllt, wobei natürlich darauf geachtet werden muß, daß das Verhältnis der Massen von Wasseranteil zu Zementanteil kleiner als 0,4 ist.
Als Zement verwendet man bevorzugt einen Normzement gemäß DIN EN197 mit einer hohen Anfangsfestigkeit, bevorzugt mit einer der Festigkeitsklasse 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 der Deutschen Bahn AG nachbehandelt wird, und wird gegenüber dem Stand der Technik in einem Dreiviertel der bisher notwendigen Zeit erreicht.
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 der Betonmischung gefüllt. Nach einer vorgegebenen Vorlagerzeit wird die Form mit dem Beton in einer Erhärtungskammer erwärmt und nach der Erwärmung des Betons wird die Stahlbewehrung entspannt und die Betonbahnschwelle entschalt. Auch stahlbewehrte Bahnschwellen aus einer leichtverdichtbaren Betonmischung lassen sich bevorzugt in einem solchen Spätentschalverfahren herstellen.
Während bei der Verwendung von leichtverdichtbarem Beton zur Herstellung von stahlbewehrten Bahnschwellen dieser nach der Befüllung mittels harmonischer Vibration verdichtet wird, so ist dies bei der Verwendung von selbstverdichtendem Beton 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 kombinierbar, 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 450 kg/m³ und 530 kg/m³ auf. Zur Betonverarbeitung wird der Zement mit Wasser gemischt, der Wasseranteil liegt zwischen 175 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 kann außerdem optional einen oder mehrere Zusatzstoffe, wie Flugasche, Silika, Traß oder Gesteinsmehl, enthalten. Der Anteil an Zusatzstoffen beträgt insgesamt bis zu 100 kg/m³. Bezüglich der Korngrößen weist die leichtverdichtbare Betonmischung einen Zuschlag in Form eines Anteils einer feinen Gesteinskörnung mit Korngrößen bis zu 4 mm auf, der Anteil liegt zwischen 750 kg/m³ und 850 kg/m³. Als feine Gesteinskörnung kann man beispielsweise Sand verwenden. Der Mehlkornanteil mit Korngrößen von weniger als 0,125 mm beträgt dabei höchstens 550 kg/m³. die Betonmischung weist außerdem einen weiteren Zuschlag in Form eines Anteils einer groben Gesteinskörnung mit Korngrößen von 8 mm bis 16 mm auf. Dieser Anteil an der Betonmischung liegt zwischen 900 kg/m³ und 1000 kg/m³. Die Kornzusammensetzung ist daher gemäß DIN 1045-2 als grob- bis mittelkörnig einzuordnen. Auch Gesteinskörnungen der Korngruppen 4/8 sowie 16/32 können in der Betonmischung enthalten sein. Die grobe Gesteinskörnung besteht dabei mindestens teilweise aus Betonrezyklat, welches aus gebrauchten Betonbahnschwellen gewonnen wurde. Insbesondere kann die grobe Gesteinskörnung – d. h. mit der Korngruppe 8/16 – auch vollständig aus Betonrezyklat bestehen. Darüber hinaus muß die leichtverdichtbare Betonmischung noch einen Fließmittelanteil zwischen 8 kg/m³ und 10 kg/m³ aufweisen, um die erhöhte Fließfähigkeit gegenüber steiferen Betonen zu erreichen sowie eine Verdichtung mit geringerem Energieeintrag zu ermöglichen. Als Fließmittel wird bevorzugt Polycarboxylatether verwendet; die Verwendung anderer, zugelassener Fließmittel ist ebenfalls möglich. Bevorzugt weisen die Körner im Betonrezyklat eine im wesentlichen kubische, d. h. polygonale Struktur mit annähernd gleichen Abmessungen in den drei orthogonalen Koordinatenrichtungen auf, was durch die Anwendung eines Prallbrechverfahrens zur Erzeugung des Rezyklats erreicht werden kann.
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 zu Zementanteil kleiner als 0,4 ist, um die hohe Frühfestigkeit und die geforderte Qualität des Endprodukts zu erreichen. Als Zement kann beispielsweise CEM I 52,5 R verwendet werden. Neben Zement und Wasser weist die Betonmischung im Verarbeitungszustand vorzugsweise noch Anteile eines oder mehrerer Zusatzstoffe wie 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 von mindestens 550 kg/m³ sowie durch einen hohen Fließmittelanteil zwischen 8 kg/m³ und 10 kg/m³ erreicht. Als Fließmittel eignet sich wiederum beispielsweise Polycarboxylatether, aber auch andere im Stand der Technik zugelassene Fließmittel können verwendet werden. Die selbstverdichtende Betonmischung weist darüber hinaus im Verarbeitungszustand Zuschläge in Form einer feinen Gesteinskörnung mit Korngrößen von bis zu 4 mm auf, deren Anteil zwischen 840 und 940 kg/m³ liegt, sowie in Form einer groben Gesteinskörnung mit Korngrößen zwischen 8 mm und 16 mm auf, deren Anteil hier zwischen 680 kg/m³ und 780 kg/m³ liegt. Auch eine Gesteinskörnung der Korngruppe 4/8 kann in der Betonmischung enthalten sein. Der Anteil der groben Gesteinskörnung besteht dabei mindestens teilweise aus Betonrezyklat, welches aus gebrauchten Betonbahnschwellen hergestellt ist. Insbesondere kann die grobe Gesteinskörnung – d. h. mit der Korngruppe 8/16 – auch vollständig aus Betonrezyklat bestehen. Bevorzugt weisen die Körner im Betonrezyklat eine im wesentlichen kubische, d. h. polygonale Struktur mit annähernd gleichen Abmessungen in den drei orthogonalen Koordinatenrichtungen auf, was durch die Anwendung eines Prallbrechverfahrens zur Erzeugung des Rezyklats erreicht werden kann.
Sowohl bei der leichtverdichtbaren als auch bei der selbstverdichtenden Betonmischung ist es ohne weiteres möglich, weniger als 100 M% des grobkörnigen Materialanteils durch Betonrezyklat zu ersetzen, je größer jedoch der Rezyklatanteil ist, desto besser werden die vorhandenen Ressourcen geschont.
Betone aus den beiden Betonmischungen 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 eignen sich die Betonmischungen auch 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 einer Form eine Stahlbewehrung eingelegt und vorgespannt, sodann wird die Form mit der Betonmischung befüllt. Anschließend erfolgt die 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 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 für Erregerfrequenzen zwischen 50 Hz und 200 Hz höchstens das Fünffache der Erdbeschleunigung betragen. Anstelle von harmonischer Vibration kann die Betonmischung nach der Befüllung der Form auch mit Eintragung nichtharmonischer, periodischer niederfrequenter Schwingungen verdichtet werden; dies geschieht bevorzugt in Form von gemäßigten Stoßimpulsen mit Beschleunigungen von bis zum Zehnfachen der Erdbeschleunigung.

Claims

Leichtverdichtbare Betonmischung, – mit einem Zementanteil von mindestens 400 kg/m³, – mit einem Wasseranteil, bei dem im Verarbeitungszustand das Verhältnis der mit Massen von Wasseranteil zu Zementanteil kleiner als 0,4 ist, – mit einem Anteil eines Fließmittels zwischen 8 kg/m³ und 10 kg/m³, – sowie mit Zuschlägen in Form von • 750 kg/m³ bis 850 kg/m³ einer feinen Gesteinskörnung mit Korngrößen bis zu 4 mm und • 900 kg/m³ bis 1000 kg/m³ einer groben Gesteinskörnung mit Korngrößen zwischen 8 mm und 16 mm, die mindestens teilweise aus Betonrezyklat besteht, wobei der Mehlkorngehalt der Betonmischung mit Korngrößen kleiner als 0,125 mm weniger als 550 kg/m³ beträgt.
Leichtverdichtbare Betonmischung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Betonmischung Anteile mindestens eines Zusatzstoffes der Gruppe Flugasche, Silika, Traß oder Gesteinsmehl enthält, wobei die Anteile an Zusatzstoffen zusammen nicht mehr als 100 kg/m³ betragen.
Leichtverdichtbare Betonmischung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zementanteil zwischen 450 kg/m³ und 530 kg/m³ und der Wasseranteil zwischen 175 kg/m³ und 210 kg/m³ liegt.
Selbstverdichtende Betonmischung, – mit einem Zementanteil von mindestens 400 kg/m³, – mit einem Wasseranteil, bei dem im Verarbeitungszustand das Verhältnis der Massen von Wasseranteil zu Zementanteil kleiner als 0,4 ist, – mit einem Anteil eines Fließmittels zwischen 8 kg/m³ und 10 kg/m³, – sowie mit Zuschlägen in Form von • 840 kg/m³ bis 940 kg/m³ einer feinen Gesteinskörnung mit Korngrößen bis zu 4 mm und • 680 kg/m³ bis 780 kg/m³ einer groben Gesteinskörnung mit Korngrößen zwischen 8 mm und 16 mm, die mindestens teilweise aus Betonrezyklat besteht, wobei der Mehlkorngehalt der Betonmischung mit Korngrößen kleiner als 0,125 mm mehr als 550 kg/m³ beträgt.
Selbstverdichtende Betonmischung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Betonmischung Anteile mindestens eines Zusatzstoffes der Gruppe Flugasche, Silika, Traß oder Gesteinsmehl enthält, wobei die Anteile an Zusatzstoffen zusammen zwischen 20 kg/m³ und 120 kg/m³ liegen.
Selbstverdichtende Betonmischung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Zementanteil zwischen 450 kg/m³ und 550 kg/m³ und der Wasseranteil zwischen 135 kg/m³ und 220 kg/m³ liegt.
Leichtverdichtbare oder selbstverdichtende Betonmischung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Zement in der Betonmischung 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 oder selbstverdichtende Betonmischung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Betonrezyklat aus gebrauchten Betonbahnschwellen hergestellt ist.
Leichtverdichtbare oder selbstverdichtende Betonmischung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Körner des Betonrezyklats eine kubische Struktur aufweisen.
Leichtverdichtbare oder selbstverdichtende Betonmischung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Körner des Betonrezyklats mittels des Prallbrechverfahrens hergestellt sind.
Stahlbewehrte Bahnschwelle aus Beton aus einer leichtverdichtbaren oder selbstverdichtenden Betonmischung nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
Verwendung einer leichtverdichtbaren oder selbstverdichtenden Betonmischung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 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.
Verfahren nach Anspruch 12, sofern nicht auf die Ansprüche 4 bis 6 rückbezogen, mit dem eine leichtverdichtbare Betonmischung verdichtet wird, 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.
Verfahren nach Anspruch 12, sofern nicht auf die Ansprüche 4 bis 6 rückbezogen, mit dem eine leichtverdichtbare Betonmischung verdichtet wird, 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.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigung in Abhängigkeit von der Beschaffenheit des Betonrezyklats im grobkörnigen Materialanteil gewählt wird.