DE10332491A1

DE10332491A1 - Betonmischung aus Zuschlag- und Zusatzstoffen und Zement für einen hochfesten, insbesondere ultrahochfesten Beton sowie Betonwerk mit einer Betonmischung aus Zuschlag- und Zusatzstoffen und Zement

Info

Publication number: DE10332491A1
Application number: DE2003132491
Authority: DE
Inventors: Michael Dr. Schmidt; Bernhard Middendorf; Roland Bornemann; Thomas Teichmann; Carsten Geisenhanslüke
Original assignee: Universitaet Kassel
Current assignee: Universitaet Kassel
Priority date: 2003-07-16
Filing date: 2003-07-16
Publication date: 2005-02-17
Anticipated expiration: 2023-07-17
Also published as: DE10332491B4

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist eine Betonmischung mit Zuschlagstoffen und Zusatzstoffen und Zement für einen hochfesten, insbesondere ultrahochfesten Beton, wobei die Zusatz- und die Zuschlagstoffe unterschiedliche Festigkeiten und Steifigkeiten aufweisen, wobei die Mischung Mittel zur kontrollierten Rissbildung aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einerseits eine Betonmischung mit Zuschlagstoffen und Zusatzstoffen und Zement für einen hochfesten, insbesondere ultrahochfesten Beton und andererseits ein Betonbauwerk, und hier insbesondere ein Spannbetonbauwerk mit einer Betonmischung der zuvor genannten Art. Unter einem hochfesten Beton wird ein Beton mit einer Druckfestigkeit von > 110 N/mm² verstanden und unter einem ultrahochfesten Beton ein solcher mit einer Druckfestigkeit von über 150 N/mm².

Betonmischungen aus dem Stand der Technik zur Herstellung von Betonbauwerken, beispielsweise Spannbetonbrücken, bestehen üblicherweise aus einem Gemisch aus Zusatz- und Zuschlagstoffen sowie Zement als hydraulisches Bindemittel. Es sind allerdings auch andere Bindemittel bekannt, beispielsweise Polymere.

Solche Betonbauwerke und hier insbesondere Spannbetonbauwerke, z. B. Brücken, sind häufig statisch unbestimmt gelagert. Bei Belastung ergeben sich an manchen Lagerstellen Spannungsspitzen, die dort gegebenenfalls zu einer Zerstörung des Betonbauwerkes führen, wohingegen andere Teile des Bauwerkes noch wesentlich unterhalb der kritischen Belastungsgrenze liegen. Der Grund hierfür ist im Wesentlichen darin zu finden, dass ein nach dem Stand der Technik hergestellter ultrahochfester Beton nach Erreichen einer bestimmten kritischen Last im Wesentlichen schlagartig zerstört wird bzw. einen starken Abfall der Spannungsaufnahme zeigt. Ein Bauwerk allerdings, das lediglich an einer Stelle eine Belastungsspitze erfährt, die bei einem Beton nach dem Stand der Technik zur Zerstörung des Bauwerkes führt, könnte allerdings erhalten bleiben, wenn es gelingt, die an der einen Stelle auftretenden Belastungsspitzen umzulagern. Das heißt, dass die Spannungen, die zu einer Belastungsspitze in einem ganz bestimmten örtlich begrenzten Bereich des Bauwerkes führen, auf Stellen des Bauwerks umgelagert werden, die ihre Belastungsgrenze noch nicht erreicht haben. Das heißt mit anderen Worten, die auftretenden Kräfte werden an Stellen des Bauwerks umgelagert, die eine geringere Belastung aufweisen, und infolgedessen in der Lage sind, ohne Zerstörung noch höhere Kräfte aufzunehmen, und hierbei die Stellen des Bauwerks zu entlasten, die sich bereits an der Belastungsgrenze befinden.

Es ist nun herausgefunden worden, dass eine solche Umlagerung von Kräften dadurch erreicht werden kann, dass das Bruchverhalten des Betons geändert wird. Wie bereits an anderer Stelle erläutert, findet bei einem sehr hochfesten oder ultrahochfesten Beton mit einer Betonmischung nach dem Stand der Technik eine im Wesentlichen schlagartige Zerstörung des Betons statt. Durch ein duktiles Bruchverhalten des sehr hochfesten Betons kann allerdings erreicht werden, dass Spannungsspitzen an einer Stelle des Betons dadurch abgebaut werden können, dass die Kräfte bzw. Spannungen auf Stellen des Bauwerkes umgelagert werden, die parallel dazu geringere Belastungen erfahren.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Betonmischung der eingangs genannten Art bereitzustellen, aus der sich ein sehr hochfester oder ultrahochfester Beton mit einem duktilen Bruchverhalten herstellen lässt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Zusatz- und die Zuschlagstoffe unterschiedliche Festigkeiten und Steifigkeiten aufweisen, wobei die Mischung Mittel zur kontrollierten Rissbildung aufweist. Unter Zusatzstoffen werden solche Stoffe verstanden, die eine Körnung von < 0,125 mm aufweisen, wohingegen Zuschlagstoffe eine Körnung von > 0,125 mm zeigen. Die einzelnen Komponenten der Zusatz- bzw. Zuschlagstoffe sollen – wie bereits ausgeführt – unterschiedliche Festigkeiten und Steifigkeiten aufweisen. Im Einzelnen bedeutet dies, dass in der Matrix des Betons die einzelnen Körner der Zuschlag- bzw. Zusatzstoffe unterschiedliche Steifigkeiten und Festigkeiten aufweisen und in unmittelbarer Nachbarschaft nebeneinander liegen. Bei Belastung verhalten sich die Materialien entsprechend unterschiedlich; es kommt zu einer Spannungsumlagerung. Insofern bewirken solche in einem Verbund oder in einer Matrix eingebauten Stoffe unterschiedlicher Festigkeit und unterschiedlicher Steifigkeit, zwangsweise eine Rissbildung in diesem Verbund bei Beanspruchung. Durch die Rissbildung wird zunächst einmal die auftretende Spannung in dem Beton abgebaut.

Nun ist allerdings gemäß der Lehre des Anspruches 1 vorgesehen, dass die Betonmischung Mittel zur kontrollierten Rissbildung aufweist. Das heißt, dass sich die einmal eingesetzte Rissbildung nicht unkontrolliert fortsetzt, sondern kontrolliert erfolgt, so dass von einem duktilen oder verzögerten Bruchverhalten auszugehen ist.

Nach einem besonderen Merkmal der Erfindung kann für die Erzielung eines solchen duktilen oder verzögerten Bruchverhaltens die Einlagerung von Kunststofffasern oder Faserbündel vorgesehen sein. Insbesondere ist der Einsatz hochfester Kunststofffasern mit einem E-Modul von 30.000 bis 40.000 N/mm² vorgesehen. Denkbar ist ebenfalls der Einsatz von Faserbündeln aus Kunststofffasern. Solche Bündel können durch Verklebung einzelner Fasern hergestellt werden. Erklärbar ist das duktile Bruchverhalten eines ultrahochfesten Betons mit eingelagerten hochfesten oder höherfesten Kunststofffasern, wie z. B. Polyvinylalkoholfasern, Glasfasern, Fasern aus Kevlar etc, dadurch, dass die bei der zuvor beschriebenen Mikrorissbildung entstehenden Hohlräume durch die Fasern nach Art einer Bewehrung, ähnlich einer Klammerung, derart zusammengehalten werden, dass die Rissfortentwicklung gehemmt ist. Diese höherfesten Faseranteile bewirken im Verbund mit dem Beton, dass der Beton ein duktiles Bruchverhalten deshalb zeigt, weil zunächst Belastungsspitzen durch die Aufnahme von Bruchenergie abgebaut werden, wobei durch die im Beton eingelagerten höherfesten Fasern die Rissbildung begrenzt wird, da die Spannungen durch die im Beton verankerten Fasern aufgenommen werden. Ein Beton mit der erfindungsgemäßen Betonmischung wird sich unter extremer Belastung plastisch verformen, er behält jedoch einen nicht unerheblichen Rest an Festigkeit, die sich langsam abbaut und dem Bauteil selbst bei sehr großer Verformung (≥ 7‰) eine ausreichende Resttragfähigkeit belässt (≥ 25 %).

Wahlweise können dem Beton auch Metallfasern, insbesondere gewellte Metallfasern zugesetzt werden, die sich gegenüber glatten Fasern besser in der Matrix des Betons verankern. Diese Metallfasern wirken ähnlich wie hochfeste Kunststofffasern, d. h., auch durch sie wird die Rissbildung verzögert oder gehemmt, d. h., es entsteht ein duktiles oder verzögertes Bruchverhalten. Insbesondere sind die Metallfasern in der Lage schlagartig freiwerdende Bruchenergie auf Grund von Mikrorissbildung aufzunehmen.

Vorteilhaft ist allerdings auch, wenn nicht nur hochfeste Kunststofffasern, sondern auch solche mit geringem E-Modul von 10 < E < 10.000 N/mm², wie z. B. Fasern aus Polypropylen eingelagert werden. Diese Fasern wirken in der Matrix des Betons wie Fehlstellen, die zusätzlich zu den Zuschlag- und Zusatzstoffen unterschiedlicher Festigkeiten und Steifigkeiten, die eine Rissbildung bewirken, auch die Rissbildung begünstigen. Diese Fasern wirken als Gleitflächen für die daran anliegenden Körner der Zuschlag- bzw. Zusatzstoffe bzw. auch als Fehlstellen.

Bemerkenswert ist, dass bezogen auf den Einsatz von Kunststofffasern mit einem E-Modul, der unter dem von Beton liegt, dennoch eine Verbesserung des Nachbruchverhaltens bzw. eine höhere Duktilität erreicht wird. Bisher wurde davon ausgegangen, dass zur Verhinderung der Rissbildung nur solche Fasern zum Einsatz gelangen können, deren E-Modul im Bereich von dem des eigentlichen Betons liegt.

Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind im Übrigen den Unteransprüchen zu entnehmen.

So ist insbesondere vorgesehen, dass die Zusatz- und die Zuschlagstoffe jeweils als Gemisch unterschiedlicher Materialien ausgebildet sind. Das heißt, dass sowohl die Zusatz-, als auch die Zuschlagstoffe jeweils unterschiedliche Steifigkeiten und Festigkeiten aufweisen, dass aber auch vorgesehen sein kann, dass die Zusatzstoffe als solche gegenüber den Zuschlagstoffen unterschiedliche Festigkeiten besitzen. Das heißt, dass sowohl die Rissbildung innerhalb des Verbundes zwischen den Zuschlagstoffen, als auch innerhalb der Zusatzstoffe, als auch im Verbund zwischen Zusatz- und Zuschlagstoffen gefördert werden soll.

Des Weiteren zeichnet sich die Mischung vorteilhaft dadurch aus, dass die Körnung der Mischung derart gewählt ist, dass sich eine dichteste Packung ergibt. Der Vorteil einer dichtesten Verpackung besteht nicht nur in der geringen Kapillarporosität von < 6 %, die bewirkt, dass der Beton eine hohe Festigkeit und Dichtigkeit auf Grund des geringen Wasseranteiles erhält. Darüber hinaus kann ein solcher mit einer geschlossenen Oberfläche versehener Beton chemischen Angriffen von außen wesentlich besser widerstehen, als ein poröser Beton. Hierzu kann sowohl eine stetige, als auch eine mindestens dreifach gestufte Ausfallsieblinie zum Einsatz kommen. Vorteilhaft ist die Gesamtsieblinie in mindestens drei Korngruppen unterteilt, wobei in diesen Gruppen Grob- und Feinstzuschläge und Zusatzstoffe unterschiedlicher Steifigkeiten und Festigkeiten Verwendung finden. Es hat sich herausgestellt, dass die Zusatz- und die Zuschlagstoffe bzw. ihre Gemische ein Festigkeitsverhältniss von mindestens 2 : 1 und ein Verhältnis ihrer E-Module von 1 : 1,5 aufweisen sollten, wobei der Zusatz- und der Zuschlagstoff mit der geringen Festigkeit bzw. dem geringen E-Modul, eine niedrigere Festigkeit und ein niedrigeres E-Modul aufweist, als die umgebende Matrix des Betons. Bei Einhaltung dieser Vorgaben entsteht die gewünschte Mikrorissbildung. Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Zuschlagstoffe ein E-Modul von E > 90.000 N/mm² und eine Druckfestigkeit von σ > 200 – 500 N/mm² und die Zusatzstoffe ein E-Modul von E < 90.000 N/mm² und eine Druckfestigkeit σ < 60 – 180N/mm² aufweisen. Als Stoffe, die diese Eigenschaften erfüllen, seien hier nur beispielhaft Basalte als Zuschlagstoffe und Kalksteinmehle als Zusatzstoffe genannt.

Es hat sich weiterhin herausgestellt, dass die Kunststofffasern einen mittleren Durchmesser von ≤ 0,3 mm, vorzugsweise PP-Fasern einen Durchmesser von < 10 μm und eine Länge von < 13 mm, vorzugsweise PP-Fasern eine Länge von < 4 mm aufweisen. In Bezug auf die Metallfasern, die vorzugsweise gewellt ausgebildet sind, um eine bessere Verankerung in dem Beton zu erreichen, ist vorgesehen, dass mindestens 11 % der Gewichtsmasse der eingesetzten Metallfasern kürzer als 4 mm sind. Der mittlere Durchmesser der Metallfasern beträgt ≤ 0,5 mm. Der Anteil an Metallfasern in Bezug auf das Gesamtvolumen der Trockenmischung liegt bei unter 4 %. Vorteilhaft sind Metallfasern unterschiedlicher Länge in der Mischung verteilt. Hierbei ist insbesondere eine Länge der Metallfasern zwischen 3 und 25 mm vorgesehen, wobei der Anteil der längeren Fasern geringer ist, als der der kürzeren Fasern.

Es ist ganz offensichtlich, dass die Länge der Fasern in Abhängigkeit von der gewählten Korngröße der Zuschlagstoffe bzw. den Zusatzstoffen gewählt wird. Das heißt, bei einer groben Körnung der Zuschlagstoffe ist insbesondere auch eine größere Faserlänge von Vorteil.

In Bezug auf das volumetrische Mischungsverhältnis der Kunststofffasern zu Metallfasern hat sich herausgestellt, dass dies vorzugsweise zwischen 6 : 1 und 2 :1 liegt. Der volumetrische Anteil der Fasern mit dem E-Modul zwischen 10 und 10.000 N/mm² bezogen auf das Festbetonvolumen beträgt ≤ 0,6 Vol.-%.

Gegenstand der Erfindung ist ebenfalls noch ein Betonbauwerk, insbesondere ein Spannbetonbauwerk, das sich durch eine Betonmischung mit den Merkmalen der zuvor beschriebenen Art auszeichnet. Insbesondere ist vorgesehen, dass das Betonwerk eine äußere Betonschicht, die mit dem übrigen Beton frisch in frisch verbunden ist, eine minimierte Anzahl an Metallfasern aufweist, um zu verhindern, dass es an der Oberfläche zu einer Rostbildung des Bauwerks kommt. Zum Zentrum des Bauwerks hin kann die Matrix dann durchaus einen Verbund mit Metallfasern aufweisen.

Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend beispielhaft näher erläutert, wobei im Anschluss daran Beispiele aufgezeigt werden, wie eine Betonmischung der erfindungsgemäßen Art ausgebildet sein.
1 zeigt beispielhaft schematisch ein Brückenbauwerk mit statisch unbestimmter Lagerung;
2 zeigt ein Spannungsdehnungsdiagramm eines Betons mit der erfindungsgemäßen Mischung und eine von einem herkömmlichen Beton;
3 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine Betonschicht mit einer Mischung aus Zusatz- und Zuschlagstoffen unterschiedlicher Steifigkeiten und Festigkeiten.
Gemäß 1 lagert das Brückenbauwerk auf drei Lagerstellen 1. Im Bereich der mittleren Lagerstelle 1 beträgt beispielsweise die Belastung 0,125 × q × I². Im Bereich zwischen den Lagerstellen beträgt die Belastung allerdings nur 0,07 × q × I². Das heißt, die Belastung in diesem Bereich ist wesentlich geringer, als die Belastung der mittleren Lagerstelle. Durch einen duktilen Bruch ist es nun möglich, die Spitzenbelastung im Bereich der mittleren Lagerstelle abzubauen und auf den Bereich zwischen den beiden Lagerstellen umzulagern. Das heißt, dass die Ausgangskurve 1, die den Spannungsverlauf an einem herkömmlichen Beton darstellt, umgesetzt werden kann in einen Kurvenverlauf gemäß der Kurve 2. Wie bereits ausgeführt, erfolgt dies durch einen duktilen Bruchverlauf, wie in 2 dargestellt ist. Ein sehr hochfester Beton nach dem Stand der Technik (gestrichelte Linie) ist zwar in der Lage, eine höhere Maximalspannung aufzunehmen, jedoch ist die Verformungsfähigkeit eines solchen sehr hochfesten oder ultrahochfesten Betons relativ gering, was bedeutet, dass der Beton unmittelbar bei Erreichen der Höchstbelastung reißt. Bei dem Beton mit der erfindungsgemäßen Mischung (durchgezogene Linie) hingegen wird zwar nicht die Maximalspannung erreicht, wie bei dem Beton gemäß dem Stand der Technik, allerdings ist das Dehnungsverhalten eines solchen Betons wesentlich ausgeprägter, wie sich dies aus 2 ergibt.
Erklärbar ist ein solches Verhalten anhand der Darstellung gemäß 3. Hierbei findet zwischen den einzelnen Körnern der Zuschlagstoffe und der Zusatzstoffe die sogenannte Mikrorissbildung statt, durch die die Bruchenergie abgebaut und die Spannungen verlagert werden. Um ein unkontrolliertes Risswachstum zu vermeiden, werden die einzelnen, sich bildenden Risse durch die entsprechenden Fasern insofern an ihrer weiteren Rissbildung gehindert. Das heißt, die in Beton eingegebenen Fasern werden gespannt. Insofern lässt sich auch von einem sich selbst unter Last vorspannenden Beton sprechen. Die Fasern wirken somit in der Matrix des Betons gesehen wie eine Bewehrung.
Der Kern der Erfindung besteht somit darin, zum Abbau der Bruchenergie zunächst eine Rissbildung zuzulassen, diese Rissbildung allerdings unter Aufbau von Spannungen innerhalb des Betons durch die Einlagerung von Fasern zu verhindern bzw. zu kontrollieren. Es hat sich weiterhin herausgestellt, dass ein solcher durch kontrollierte Rissbildung vorgespannter Beton eine weitere Belastung durchaus in der Lage ist zu ertragen, wenn die Belastung ≥ 25 % der ursprünglichen Lastaufnahme beträgt. Das heißt, dass ein solcher Beton erhebliche Sicherheiten aufweist.

Claims

Betonmischung mit Zuschlagstoffen und Zusatzstoffen und Zement für einen hochfesten, insbesondere ultrahochfesten Beton, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatz- und die Zuschlagstoffe unterschiedliche Festigkeiten und Steifigkeiten aufweisen, wobei die Mischung Mittel zur kontrollierten Rissbildung aufweist.
Betonmischung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatz- und Zuschlagstoffe jeweils als Gemisch unterschiedlicher Materialien ausgebildet sind.
Betonmischung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur kontrollierten Rissbildung Kunststofffasern oder Kunststofffasernbündel umfasst.
Betonmischung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststofffasern ein E-Modul von 10 < E < 10.000 N/mm² aufweisen.
Betonmischung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststofffasern einen E-Modul von 30.000 bis 40.000 N/mm² aufweisen.
Betonmischung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur kontrollierten Rissbildung Metallfasern umfasst.
Betonmischung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Körnung der Mischung aus Zuschlag- und Zusatzstoffen derart ist, dass sich eine dichteste Packung ergibt.
Betonmischung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillarporosität 6 Vol.-% nicht übersteigt.
Betonmischung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuschlag- und Zusatzstoffe bzw. ihre Gemische ein Festigkeitsverhältnis von mindestens 2 : 1 und ein Verhältnis der E-Module von 1 : 1,5 aufweisen, und dass der Zusatz- und der Zuschlagstoff mit der geringeren Festigkeit und dem geringeren E-Modul eine niedrigere Festigkeit und ein niedrigeres E-Modul aufweist, als die Festigkeit und der E-Modul der umgebenden Betonmatrix.
Betonmischung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststofffasern einen mittleren Durchmesser von ≤ 0,3 mm, PP-Fasern ≤ 10 μm aufweisen.
Betonmischung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststofffasern eine mittlere Länge von < 13 mm, vorzugsweise 4 mm aufweisen.
Betonmischung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens 11 % der Gewichtsmasse der eingesetzten Metallfasern kürzer als 4 mm sind.
Betonmischung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallfasern gewellt ausgebildet sind.
Betonmischung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallfasern einen mittleren Durchmesser von 0,5 mm aufweisen.
Betonmischung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Metallfasern < 4 % bezogen auf das Gesamtvolumen der Trockenmischung beträgt.
Betonmischung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallfasern in unterschiedlicher Länge in der Mischung vorliegen.
Betonmischung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Metallfasern zwischen 3 und 25 mm beträgt, wobei der Anteil der längsten Fasern geringer ist, als der der kürzesten Fasern.
Betonmischung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das volumerische Mischungsverhältnis von Kunststofffasern zu Metallfasern zwischen 6 : 1 und 2 : 1 liegt.
Betonmischung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der volumerische Anteil an Fasern mit einem E-Modul zwischen 10 und 10.000 N/mm² 0,6 Vol.-% des Festbetons nicht überschreitet.
Betonmischung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern aus Glas, Karbon, Kevlar, Polyvinylchlorid, Polypropylen, Polyvinylalkohol eingesetzt werden.
Betonbauwerk, insbesondere Spannbetonbauwerk, gekennzeichnet durch eine Betonmischung gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 18.
Betonbauwerk nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauwerk eine äußere Betonschicht mit einer minimierten Anzahl an Metallfasern aufweist.