Grundlagenuntersuchungen zum Einfluss von Fließmitteln im Ergänzungsbeton auf die Verbundfestigkeit bei nachträglich ergänzten Bauteilen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen der interdisziplinären Projektbearbeitung wurden Wege aufgezeigt, wie Verbundfugen zwischen unterschiedlich alten Betonen wirtschaftlicher und nachhaltiger bemessen und ausgeführt werden können. Es wurden maßgebende Parameter benannt, die eine robuste Ausführung von Verbundfugen gewährleisten. Entgegen dem bisherigen Erkenntnisstand, dass sich saugende Untergründe nachteilig auf den Verbund auswirken, kann durch hydraulische Gradiente eine „mechanische Adhäsion“ realisiert werden. Mit dem weder chemisch noch physikalisch (Gelwasser) gebunden Anmachwasser werden gelöste Zementpartikel in die porösen Übergangszonen zwischen Zuschlag und Zementstein gesogen und hydratisieren dort. Es bildet sich eine mikroskopische Verzahnung zwischen Alt- und Neubeton, daher der Begriff „mechanische Adhäsion“. Die Zugabe von Fließmitteln wirkt bei hohen Kapillardrücken vor allem einer Entmischung der Zementsuspension entgegen. Wird die Kapillarität des Altbetons (z. B. Reduzierung der Oberflächenspannung, wassergesättigter Altbeton) herabgesetzt, dann ergibt sich eine geringere Adhäsion. Gegenüber der bisher meist qualitativen Bestimmung der Rauheit (Faktor c; Beschreibung der Oberfläche, Sandflächenverfahren nach Kaufmann), bietet die vorgestellte quantitative und reproduzierbare Methode (räumlicher Wenzelscher Quotient) die Möglichkeit die Verteilung der Rauheiten eines Probekörpers zu bestimmen. Die Messunsicherheit des vorgestellten Verfahrens ist um ein vielfaches kleiner als die Bestimmung der Rautiefen Rt nach Kaufmann. Eine Gegenüberstellung der Verfahren zeigt, dass zur Herstellung eines quasi monolithischen Verbundes (Verbundfestigkeit der Verbundfugen entspricht mindestens der Zugfestigkeit von Alt- oder Neubeton) ein modifizierter Wenzelscher Quotient von 10 erforderlich ist. Dieser Wert liegt zwischen den Rauheitskategorien „glatt“ und „rau“ entsprechend DIN 1045-1 bzw. des Eurocodes. D. h., das vorgestellte Verfahren ermöglicht einen reduzierten Aufrauaufwand bei gleichzeitig optimalen Verbundbedingungen. Zudem konnte aufgezeigt werden, dass durch Abstimmung früher Schwindverformungen (Zeitraum wenige Tage) auf die E-Modul Entwicklung, Zwangsspannungen minimiert werden können. Auf Grundlage der quantifizierten Verbundparameter konnte durch Modifikationen der bestehende Bemessungsansatz derart angepasst werden, dass das Potential der experimentellen Versuchsergebnisse auch rechnerisch angesetzt werden kann. Der additive Ansatz wurde mechanisch sinnvoll, entsprechend der verträglichen Fugenverschiebungen in einen Adhäsionsanteil (keine/kleine Fugenverschiebungen) und in den Reibungs- und Bewehrungsanteil – für die Aktivierung ist eine Fugenverschiebung erforderlich – gesplittet. Der bisherige Ansatz, der den Adhäsionstraganteil nur mit Hilfe eines Parameters (Faktor c; Abhängig von der Rauheit) und der Betonzugfestigkeit beschreibt, wurde erweitert, da der Faktor c neben der Rauheit zudem die Unsicherheiten aller für den Verbund maßgebenden Parameter beinhaltete. D. h. bei gleicher Rauheit werden qualitativ hochwertig bearbeitete Oberflächen mit unbehandelten Oberflächen gleich gesetzt. Durch Berücksichtigung weiterer Parameter kann hier differenziert werden, um höhere rechnerische Verbundfestigkeiten zu erhalten. Zusammenfassend bleibt festzuhalten, dass durch grundlegende Forschung und Aufklärung von Schlüsselmechanismen eine wirtschaftlichere Bemessung von Schubfugen möglich wurde, mit zusätzlichen Vorteilen hinsichtlich der Nachhaltigkeit. Das Konzept Ingenieur- und Naturwissenschaften bei der Bearbeitung des Antrags zu kombinieren stellte sich als ideal heraus, da Ergebnisse auf Makroebene grundsätzlich analysiert werden konnten. Aus dieser Kombination ergeben sich weitere Anwendungen hinsichtlich weiterer Optimierungen von Betonzusatzmitteln. Beispielsweise könnten vor allem Fließmittel auf Polycarboxylatbasis hinsichtlich ihrer, die Oberflächenspannung reduzierenden Eigenschaften verbessert werden. Zudem könnten die Fließmittel dahin angepasst werden, dass zusätzlich der Schwindverlauf und damit die einhergehende Entwicklung von Zwangsspannungen manipuliert werden kann. Aus Sicht des Massivbaus wäre zudem die Betrachtung von dynamischen Belastungen sinnvoll, wobei vor allem bei der Untersuchung des damit verbundenen Rissfortschritts Untersuchungen auf Mirkoebene unabdingbar wären. Die beiden Wissenschaftszweige können sich hierbei ideal ergänzen, wobei Ergebnisse auf Mikroebene auf der Makroebene validiert werden können. Durch die weitere Zusammenarbeit könnte der Verbund weiter optimiert werden, um Nachteile gegenüber der konventionellen monolithischen Bauweise vollständig kompensieren zu können.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Beton-Beton-Verbund Potenziale für Neubau und Ertüchtigung, Bauingenieur Heft 11, 2009
Zilch K., Lenz P.
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Beton-Beton-Verbund, Beitrag zum 50. DAfStb-Forschungskolloquium, München, 2009
Lenz P., Zilch K.
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Concrete to concrete bonds – Potentials for new structures and rehabilitation, Proceedings 3rd fib International Congress – 2010, 29.05.-02.06.2010, Washington
Lenz P., Zilch K.
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Optimierte Bemessung von Betonschubfugen, Tagungsband Münchner Massivbauseminar 2010, 4-5 Oktober 2010, München
Lenz P., Zilch K.
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Optimized design of concrete shear joints, Proceedings of first international workshop – design of concrete structures using EN 1992-1-1, 16-17 September 2010, Czech Technical University in Prague, ISBN: 978-80-01-04581-7
Lenz P., Zilch K.
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Rehabilitation or new structures; Potentials of concrete-to-concrete bond, Proceedings of the forth international Conference on Structural Engineering and Computation, 6-8 September 2010, Cape Town South Africa, ISBN: 978-0-415-58472-2
Lenz P., Zilch K.
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Vorgespannte Bauteile, nachträglich ergänzte Querschnitte. In: Gemeinschaftstagung - Eurocode 2 für Deutschland, Hrsg.: Deutscher Beton- und Bautechnik-Verein e.V., Berlin, 2010
Zilch, K.; Lenz, P.
