Selbstverdichtender Beton (Teil 2) Optimieren der Eigenschaften des selbstverdichtenden Betons

• Forschungsstelle: ASTRA SBT
• Projektnummer: AGB2000/398
• Projekttitel Englisch: Self-compacting concrete (part 2) Optimizing the properties of self compacting concrete

Schlüsselwörter (Deutsch)

Betonqualität, selbstverdichtender Beton, Beständigkeit, Betontechnologie

Schlüsselwörter (Englisch)

Self-compacting concrete, concrete technology, durability

Alternative Projektnummern (Deutsch)

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Die Qualität eines Stahlbetonbauteiles hängt weniger von der mittleren Qualität des Frischbetons, sonder vielmehr von der Variation der Eigenschaften im Volumen ab. Das Verdichten des Betons ist Hauptsache für diese örtlichen Schwankungen der Werkstoffeigenschaften. Selbstverdichtender Beton kann mit deutlich gesteigerter Homogenität hergestellt werden.

Selbstverdichtender Beton hat aber ein erhebliches Risiko für Rissbildung durch zu starkes Schwinden.
Mit diesem Antrag soll ein Forschungsvorhaben ermöglicht werden, mit dem die Eigenschaften des selbstverdichtenden Betons für die in der Schweiz üblichen Ausgangsstoffe optimiert werden. Gegen Ende des Projektes ist vorgesehen, die praktische Anwendbarkeit der optimierten Mischung in enger Zusammenarbeit mit entsprechenden Firmen im Brücken- und Strassenbau zu testen.

Kurzbeschreibung (Englisch)

The quality of reinforced concrete elements depends not only on the avarage quality of the covercrete, but much more on the dispersion of weak areas. In conventional concrete the heterogeneity of the concrete cover is mainly influenced by the compaction process. Among other advantages this fact has first lead Japanese researchers to develop self-compacting concrete. In the meantime this promising material is also applied in Europe and in particular in Sweden and France. In Switzerland so far few tests have been run only. In order to provide a solid basis for the safe application of this new technology the properties of self-compacting concrete are to be optimized.

Projektziele (Deutsch)

Entwicklung eines selbstverdichtenden Betons für den Einsatz im Strassen- und Brückenbau.

Projektziele (Englisch)

Self-compacting concrete is usually prepared with a comparatively high cement content. Therefore, shrinkage cracking is a real risk. This project aims for minimizing shrinkage strain. This aim may be achieved by adding high modulus fibres or by shrinkage reducing agents. The material is to be optimized with respect to workability and shrinkage cracking.

Zielerreichung (Deutsch)

Die Forschungsziele wurden weitestgehend erreicht. Auch die Möglichkeit der Anwendung wurde mehrfach unter Beweis gestellt. Offen ist, wie eine gezielte Breitenanwendung mit der nötigen Qualitätssicherung in Zukunft beispielsweise durch Richtlinien gewährleistet werden kann.

Abstract (Deutsch)

Eine Ursache für die mangelnde Dauerhaftigkeit zahlreicher Beton- und Stahlbetonkonstruktionen sind die infolge unzureichender Verdichtung des frischen Betons auftretenden Gefügeinhomogenitäten innerhalb eines Betonbauteils. Eine Möglichkeit zur Lösung dieses Problems liegt in der Verwendung sogenannter selbstverdichtender Betone (englisch: self-compacting concrete = SCC), die aufgrund ihrer rheologischen Eigenschaften (Fliessfähigkeit und Viskosität) die Verwendung von Verdichtungsgeräten überflüssig machen. Die Entwicklung und Anwendung solcher Betone wirft jedoch eine Reihe neuer Fragen auf, von denen ein Teil im Rahmen zweier ASTRA-Projekte (Teil 1 und 2) bearbeitet wird. Der vorliegende Bericht (AGB 2000/398) betrifft den Projektteil 2. Projektteil 1 ist Gegenstand eines separaten Berichts (AGB 2000/481).
Teil 1: Herstellung, Anwendung und Dauerhaftigkeit von selbstverdichtendem Beton (EMPA):
Eine Voraussetzung für den Einsatz von selbstverdichtendem Beton ist ein flexibles Herstellungskonzept, das es ausgehend von unterschiedlichen Kombinationen der Ausgangsstoffe (Zuschlag-Zement-Zusatzstoff) erlaubt, die Rezeptur eines selbstverdichtenden Betons zu entwickeln. Bei der nachfolgenden Anwendung eines SCC ist es einerseits wichtig, seine Festbetoneigenschaften zu kennen und andererseits zu wissen, wie sie sich mit den Werten von konventionellem Beton vergleichen lassen. Des Weiteren soll abgeklärt werden, ob sich mit SCC das Ziel einer homogeneren Betonqualität innerhalb eines Bauteils und damit dauerhaftere Bauwerke tatsächlich erreichen lassen. Zusätzlich sollen verschiedene Probleme untersucht werden, die in der Bauausführung mit SCC auftreten können.
Nachdem der Einfluss der einzelnen Komponenten auf die rheologischen Eigenschaften abgeklärt wurde, konnte ein Herstellungskonzept für SCC entwickelt werden. Das Konzept basiert auf den relativen volumetrischen Verhältnissen von Zuschlag zu Bindemittelleim und ermöglicht die Herstellung von SCC mit einer gezielten Steuerung der Frisch- und Festbetoneigenschaften. Die meisten Festbetoneigenschaften von SCC unterscheiden sich bei einem vergleichbaren Wasser-Bindemittel-Wert nicht wesentlich von denen des konventionellen Betons. Unterschiede bestehen bei Eigenschaften, die stark vom Bindemittelvolumen des Betons abhängig sind. Bei einer identischen Druckfestigkeit weist der SCC ein rund 13 % tieferes E-Modul, ein etwa 25% höheres Schwindmass und 10 % höheres Kriechmass auf als konventioneller Beton.
Die Homogenität von SCC und konventionellem Beton in Bauteilen ist im Bereich von Dezimeter und Meter gleich, wobei der SCC beim Erstellen von Bauteilen mit schlechter Zugänglichkeit, starkem Bewehrungsgrad und komplexer Schalungsform Vorteile aufweist.
Teil 2: Optimieren der Eigenschaften des selbstverdichtenden Betons (ETH):
Steigerung der Dauerhaftigkeit selbstverdichtender Betone durch den Einsatz von Polymerfaserkurzschnitt:
Die Modifizierung von Betonen mittels Faserkurzschnitt ist eine Möglichkeit, die negativen Folgen des Schwindens auf die Dauerhaftigkeit in Form von Oberflächenrissen zu entschärfen. Die Leistungsfähigkeit einer Faserbewehrung hängt hierbei von drei Dingen ab. Neben den mechanischen Eigenschaften des verwendeten Fasertypes sind vor allem die Eigenschaften der Grenzfläche zwischen Faser und Bindemittelmatrix aber auch die Eigenschaften der Bindemittelmatrix selbst von grosser Bedeutung. Hinzu kommt, dass die bei selbstverdichtenden Betonen besonders wichtigen rheologischen Eigenschaften durch die Faserbewehrung beeinflusst werden.
Als Ausgangspunkt für die Optimierung der Faserbewehrung dient die in vorliegenden Arbeiten über die Bildung von Oberflächenrissen in spröden Werkstoffen als entscheidend eruierte Grösse der Bruchenergie. In einem ersten Schritt werden ausgehend von bruchmechanischen Modellen zum Verhalten faserverstärkter zementgebundener Werkstoffe die Eigenschaften unterschiedlicher Fasertypen bestimmt und unter Berücksichtigung anderer, primär praktischer, Aspekte ein geeigneter ausgewählt. Anschliessend werden Geometrie und Volumenanteil des Polymerfasertyps als Funktion der Beanspruchung durch schwindinduzierte Verformungen bestimmt.
In einem letzten Schritt wird ermittelt, inwieweit die Rezeptur herkömmlicher selbstverdichtender Betone angepasst werden muss, um trotz der Faserbewehrung die Anforderungen an die Rheologie zu erfüllen.
Als vergleichende Untersuchung wird zudem die Rissbildung infolge Trocknungsschwinden an unterschiedlichen Betontypen (konventioneller SCC und faserverstärkter SCC) mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode numerisch simuliert.
Einfluss des Alkaligehaltes des Zementes auf das Schwinden:
Da die Dauerhaftigkeit eines Betonbauteils neben der Gefügehomogenität und Duktilität auch stark von der hygrischen Volumenstabilität und der dadurch induzierten Rissbildung abhängt, werden die Mechanismen dieser Instabilität detailliert untersucht, um Möglichkeiten zu finden, das Schwinden zu reduzieren.
Die Betontechnologie bietet einige klassische Möglichkeiten das Schwinden zu reduzieren, wie zum Beispiel die Reduktion des Zementsteinvolumens, den Ersatz von Zement durch Zusatzstoffe oder die Verringerung des Wasser-Zement-Wertes. Diese Methoden sind bei Hochleistungsbetonen nur bedingt tauglich. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Wahl des Zementes hinsichtlich seiner mineralogischen Zusammensetzung. Bezogen auf das Schwinden kann sich ein Beton A, hergestellt mit CEM I 42.5 aus einem Werk A, von einem Beton B, hergestellt mit CEM I 42,5 aus einem Werk B, deutlich unterscheiden. Um diesen Unterschied zu untersuchen, wurde das Schwinden in Phänomene unterschiedlicher Wirkungsweise unterteilt (exogenes und endogenes Trocknungsschwinden, chemisches Lösungsschwinden und chemisches Hydratationsschwinden) und die mineralogische Zusammensetzung der Zemente bestimmt.
Es wird beschrieben, welche Bedeutung der Wahl des Zementes sowie der Zusatzstoffe zukommt, wenn es darum geht, das Schwinden möglichst tief zu halten. Erklärungen über das unterschiedliche Verhalten der Bindemittel aufgrund ihrer mineralogischen Zusammensetzung werden vorgeschlagen. Dabei wird gezeigt inwiefern (a) die Ionenarten (hauptsächlich Na+, K+ und Ca2+ -Ionen) und -konzentrationen in der Porenlösung wichtige Parameter darstellen, was das langfristige hygrische Schwinden anbelangt und (b) der Anteil an Alkali, Gips, Aluminat- und Ferroaluminatphasen das endogene Frühschwinden beeinflusst.

Umsetzung und Anwendungen (Deutsch)

Bei den Ergebnissen handelt es sich vorwiegend um wissenschaftliche Resultate. Die Erkenntnisse wurden mittlerweile jedoch bei mehreren Bauvorhaben eingesetzt. Vornehmlich handelt es sich hierbei um Instandsetzungsmassnahmen an Kunstbauten des schweizerischen Strassennetzes (Schöneich-Tunnel ZH, Unterführung Stäfa ZH, Grundwasserwannen der N40 ZG, etc.). Ein ETH-Spin-Off-Unternehmen, das aus dem mit dem Forschungsvorhaben AGB2000/398 beauftragten ETH-Institut (IBWK, Gruppe Baustoffe) hervorging, realisiert Problemlösungen, die zu einem Teil auf den gewonnenen Erkenntnissen beruhen. Ausserdem wurde im Projekt AGB2000/481 durch die EMPA u. a. ein praxistaugliches Herstellungskonzept für den untersuchten Betontyp (SCC) entwickelt.

Beurteilungsbericht (Deutsch)

Die Begleitkommission A der Arbeitsgruppe Brückenforschung hat den Schlussbericht genehmigt und zur Publikation freigegeben.

Publikationen / Ergebnisse (Deutsch)

Bäuml, M.F., Importance des fibres de renforcement dans le mortiers de réparation, in Transfer 1 – Vers une construction plus durable, D. Rosignoli et M. Martinola (eds.), Sion (CH), 39-50 (2001)

Bäuml, M.F. and Wittmann, F.H., Improved Durability of Self-Compacting Concrete by Addition of Fibers, in Proceedings of the 2nd Int. Symposium on Self-Compacting Concrete, Tokyo (2001)

Bäuml, M.F. and Wittmann, F.H., Application of PVA-Fibre Reinforced Self-Compacting Concrete (ECC) for Repair of Concrete Strucctures , in Internationale Zeitschrift für Bauinstandsetzen, 8, 591-604 (2002)

Bäuml, M.F., Steigerung der Dauerhaftigkeit selbstverdichtender Betone durch den Einsatz von Polymerfaserkurzschnitt, Dissertation ETH Zürich, Diss. ETH Nr. 14837 (2002), erschienen auch als Buliding Materials Report, Nr. 20, Aedificatio Publishers, Freiburg (2003)

Martinola, G., Bäuml, M.F. and Wittmann, F.H., Modified ECC Applied as an Effective Chloride Barrier, Poceedings of the JCCI Int. Workshop on Ductile Fibre Reinforced Cementitious Composites (DFRCC) - Application and Evaluation, Japan Concrete Institut (JCI), 171-180 (2002)

Martinola, G. and Bäuml, M.F., Optimizing ECC in Order to Prevent Shrinkage Cracking, Poceedings of the JCCI Int. Workshop on Ductile Fibre Reinforced Cementitious Composites (DFRCC) - Application and Evaluation, Japan Concrete Institut (JCI), 143-152 (2002)

Wittmann, F.H., Martinola, G., Bäuml, M.F., Frey, R.M. und Meier, S.J., Optimierung des Betons für die Herstellung von Bodenplatten, Proceedings of „Industrial Floors ‘03“, 5th Int. Colloquium in Esslingen (D), P. Seidler (ed.), 37-42 (2003)

Meier, S.J. und Bäuml, M.F., Zur Vermeidung von Rissen in Stahlbetonbauwerken, in Internationale Zeitschrift für Bauinstandsetzen, 9, 173-187 (2003)

F. Beltzung, Influence of alkalies on hygral shrinkage of cementitious composites, 6th International Conference on Materials Science and Restoration, MSR-VI, Karlsruhe, Aedificatio Publishers, 235-244 (2003).

F. Beltzung and F. H. Wittmann, Influence of cement composition on endogenous shrinkage, Proceedings of the Third International Research Seminar on Self-Desiccation and its Importance in Concrete Technology, Eds. B. Persson and G. Fagerlund, Lund (2002).

F. Beltzung, F. H. Wittmann and L. Holzer, Influence of composition of pore solution on drying shrinkage, Rilem Proceedings of Concreep-6, Cambridge (MA) (2001).

F. Beltzung, F. H. Wittmann, Early chemical shrinkage due to dissolution and hydration of cement, Materials and Structures, Vol. 34, 279-283 (2001).

Berichtsnummer (Deutsch)

576