Hochleistungsfähiger Faserfeinkornbeton zur Effizienzsteigerung bei der Erhaltung von Kunstbauten aus Stahlbeton

• Forschungsstelle: ASTRA SBT
• Projektnummer: AGB2005/004
• Projekttitel Englisch: Ultra-high performance fiber reinforced concrete for increasing the efficiency of rehabilitation interventions on reinforced concrete highway structures

Schlüsselwörter (Deutsch)

Ultra-hochleistungsfähige Faserfeinkornbetone (UHLFB), Stahlbeton, Instandsetzung, Kunstbauten, Dauerhaftigkeit, Effizienzsteigerung, Kostenreduktion

Schlüsselwörter (Englisch)

Ultra-high performance fibre reinforced concrete (UHPFRC), reinforced concrete, rehabilitation, highway structures, durability, efficiency increase, cost reduction

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Ultra-hochleistungsfähige Faserfeinkornbetone (UHLFB) haben aussergewöhnliche mechanische Eigenschaften und eine sehr hohe Dichtigkeit, verglichen mit herkömmlichen Betonsorten. Daraus ergibt sich die grundlegende Idee, bei der Instandsetzung und Veränderung von Kunstbauten aus Stahlbeton den UHLFB nur in denjenigen Bauwerkszonen einzusetzen, die sehr starken mechanischen Einwirkungen und sehr agressiven Umwelteinwirkungen ausgesetzt sind. Der UHLFB erfüllt dabei gleichzeitig die Funktionen der Dauerhaftigkeit und des Tragwiderstands.

Damit ergibt sich ein Potential zur Effizienzsteigerung, indem die Dauerhaftigkeit der instandgesetzten Kunstbauten deutlich verbessert, die Bauzeit durch vereinfachte Arbeitsabläufe verkürzt und folglich die Gesamtkosten eines Bauwerks eingespart werden können.

Ausgehend von den Ergebnissen einer bereits mehr als 5 Jahre dauernden Forschungstätigkeit am MCS-EPFL in der Thematik von UHLFB und UHLFB-Beton-Verbundbauteilen wird ein Forschungsprojekt vorgeschlagen, indem 4 Module bearbeitet werden: (1) Zunächst werden konkrete Anwendungs-möglichkeiten der erwähnten Grundidee ausgearbeitet. Danach werden (2) einzelne technologische Aspekte, die im Hinblick auf den Einsatz bei der Erhaltung von Kunstbauten relevant sind, weiterentwickelt und (3) nachgewiesen. Die Ergebnisse der Forschung werden unter Berücksichtigung des Stands der Technik anhand von (4) „Empfehlungen für den Einsatz von UHLFB für die Instandsetzung und Veränderung von Kunstbauten“ für die Anwendung aufbereitet.

Kurzbeschreibung (Englisch)

Ultra-high performance fibre reinforced concretes (UHPFRC) show extraordinary mechanical properties and a very high density when compared to ordinary concretes. From this follows the basic idea to use UHPFRC efficiently for the rehabilitation of highway structures made of reinforced concrete by applying UHPFRC only in those zones of the structure that are subjected to severe mechanical and environmental action. In this case, the UHPFRC contributes significantly to both the durability and resistance performance of the rehabilitated structure.

This may lead to an important potential for efficiency increase in the maintenance of highway structures by a significant improvement of the durability of the rehabilitated structure, by a reduced duration of the construction works and consequently by reduced overall costs.

Based on the results of an already 5 year old research activity at MCS-EPFL in the domain of UHPFRC and UHPFRC-concrete composite structural elements, a research project is proposed consisting of 4 modules: (1) applications of the aforementioned basic idea will be developed first. (2) Several technological aspects, relevant for the rehabilitation of highway structures, will be investigated and (3) validated. (4) The results of the research will be presented, considering the state-of-the-art, in the form of “Recommendations for the application of UHPFRC for rehabilitation of highway structures”.

Projektbeschreibung (Deutsch)

Das Ziel und die Herausforderung bei der Erhaltung (Instandsetzung und Veränderung) von Kunstbauten aus Stahlbeton besteht darin, die geforderte technische Leistungsfähigkeit (wieder)herzustellen und dabei die Dauer der Baustelle und die Gesamtkosten (Bau-, Unterhalts- und Benutzerkosten) möglichst gering zu halten. Dieses Ziel steht im Einklang mit den Prinzipien einer nachhaltigen Entwicklung.

Seit jeher haben neuartige Baustoffe der Ingenieurbaukunst zu einer Weiterentwicklung verholfen. Ultra-hochleistungsfähige Faserfeinkornbetone (UHLFB) (Ultra high performance fiber reinforced concretes UHPFRC) haben aussergewöhnliche mechanische Eigenschaften und eine sehr hohe Dichtigkeit, verglichen mit herkömmlichen Betonsorten. Folglich sind die UHLFB vielversprechend, um den Tragwiderstand und die Dauerhaftigkeit von Kunstbauten aus Stahlbeton zu verbessern.

Die grundlegende Konzeptidee besteht darin, den „teuren“ UHLFB nur in denjenigen Bauwerkszonen einzusetzen, die sehr starken mechanischen Einwirkungen und sehr agressiven Umwelteinwirkungen ausgesetzt sind (siehe Anhang 1). Dadurch sollen die bestehenden Kunstbauten durch ein "Härten" der stark exponierten Bereiche, die erfahrungsgemäss oft Schäden erleiden, dauerhaft verbessert und falls notwendig verstärkt werden. Da der UHLFB die Funktionen sowohl der Dauerhaftigkeit (Widerstand gegen Wassereintrag, Oberflächenschutz) als auch des Tragvermögens erfüllt, kann auf zusätzliche Mass-nahmen wie ein Oberflächenschutz (z.B. Abdichtung) verzichtet werden. Somit können die Bauabläufe vereinfacht, die Bauzeit (Dauer der Baustelle) verkürzt und die Gesamtkosten einer Kunstbaute reduziert werden.

Die Effizienzsteigerung bei der Erhaltung von Kunstbauten aus Stahlbeton besteht darin :

- die Dauerhaftigkeit der instandgesetzten Kunstbauten deutlich zu verbessern,

- die Bauzeit (Dauer der Baustelle) durch vereinfachte Arbeitsabläufe zu verkürzen und Fehlermöglichkeiten bei der Ausführung zu reduzieren und

- folglich Gesamtkosten (Bau-, Unterhalts- und Benutzerkosten) einzusparen.

Ausgehend auf einer bereits mehr als 5 Jahre dauernden Forschungstätigkeit am MCS-EPFL in der Thematik von UHLFB und UHLFB-Beton-Verbundbauteilen wird ein Forschungsprojekt vorgeschlagen (siehe Anhang 4), das die Optimierung und Verbesserung von technologischen Aspekten und Methoden für den Einsatz von UHLFB bei der Instandsetzung und Veränderung von Kunstbauten zum Inhalt hat. Es besteht aus folgenden vier Modulen:

Im Modul 1 werden Anwendungsmöglichkeiten entwickelt und deren Machbarkeit untersucht. Unter dem Titel „technologische Weiterentwicklungen“ werden im Modul 2 UHLFB entwickelt (1) mit reduziertem Fasergehalt und (2) zur Herstellung von Gefällen bis 5%. Ausserdem werden Technologien (3) zur Herstellung einer genügenden Verbundfestigkeit zwischen UHLFB und dem Fahrbahnbelag sowie (4) zur Vermeidung der Oberflächenkorrosion entwickelt. Im Modul 3 „Nachweise“ werden (1) der Einfluss von äusseren Temperatureinwirkungen beim Einbau von UHLFB anhand von numerischen Simulationen untersucht und (2) eine Prüfmethodik zum Nachweis der Dichtigkeit der UHLFB Schicht erarbeitet. Schliesslich werden im Modul 4 die Ergebnisse der Forschung in Empfehlungen für den Einsatz von UHLFB für die Instandsetzung und Veränderung von Kunstbauten aus Stahlbeton umgesetzt.

Diese Empfehlungen sollen dann in einem Nachfolge-Projekt als Grundlage für Pilotanwendungen (Instandsetzung und Veränderung bestehender Kunstbauten) dienen, mit denen die Machbarkeit der Konzeptidee und der Einsatz von UHLFB für die Anwendung am Bauwerk aufgezeigt und nachgewiesen werden.

Methoden (Deutsch)

Im Modul 1 „Entwurf von Anwendungen“ werden Ideen entwickelt, die anhand von Skizzen und überschlägigen Berechnungen nachgewiesen werden. Die technologischen Weiterentwicklungen des Moduls 2 werden vorwiegend experimentell im Labor bearbeitet. Der Modul 3 „Nachweise besonderer Aspekte“ beinhaltet experimentelle und numerischen Untersuchungen. Die Umsetzung der Forschungsergebnisse erfolgt im Modul 4 anhand des Forschungsberichts und der „Empfehlungen“.

Spezielle Geräte und Installationen (Deutsch)

Sind vorhanden.

Stand der eigenen Forschung (Deutsch)

Das vorgeschlagene Forschungsvorhaben stützt sich auf eine bereits mehr als 5 Jahre dauernde Forschungstätigkeit am MCS-EPFL in der Thematik von UHLFB und UHLFB-Beton-Verbundbauteilen (siehe Literaturliste mit den wichtigsten Publikationen sowie Anhänge 2 und 3). Die Konzeptidee des MCS-EPFL der Anwendung von UHLFB auf dem Gebiet der Instandsetzung und Veränderung bestehender Kunstbauten aus Stahlbeton ist neuartig; es sind uns keine anderen Forscher bekannt, die gezielt auf diesem Gebiet arbeiten.

Die erste praktische Umsetzung der Projektidee wurde im Oktober/November 2004 bei der Instandsetzung und Verbreiterung einer Strassenbrücke bei Sion (VS) ausgeführt.

Projektziele (Deutsch)

Ultra-hochleistungsfähige Faserfeinkornbetone (UHLFB) haben aussergewöhnliche mechanische Eigenschaften und eine sehr hohe Dichtigkeit, verglichen mit herkömmlichen Betonsorten. Daraus ergibt sich die Idee, den UHLFB bei der Instandsetzung und Veränderung von Kunstbauten für hochbeanspruchte Tragwerksbereiche einzusetzen, denn der UHLFB kann gleichzeitig die Funktionen der Dauerhaftigkeit und des Tragwiderstands erfüllen. Damit ergibt sich ein Potential zur Effizienzsteigerung bei der Bauwerkserhaltung, indem die Dauerhaftigkeit der instandgesetzten Kunstbauten deutlich verbessert, die Bauzeit durch vereinfachte Arbeitsabläufe verkürzt und folglich die Gesamtkosten eines Bauwerks reduziert werden können.

Das Ziel des Forschungsprojekts besteht darin, die technologischen Grundlagen vorzubereiten für den Einsatz von UHLFB für die Instandsetzung und Veränderung von Kunstbauten und dabei die mögliche Effizienzsteigerung gegenüber herkömmlichen Methoden aufzuzeigen.

Projektziele (Englisch)

Ultra-high performance fibre reinforced concretes (UHPFRC) show extraordinary mechanical properties and a very high density when compared to ordinary concretes. From this follows the basic idea to use UHPFRC efficiently for the rehabilitation of highway structures made of reinforced concrete by applying UHPFRC only in those zones of the structure that are subjected to severe mechanical and environmental actions. This idea may provide an important potential for efficiency increase in the maintenance of highway structures by a significant improvement of the durability of the rehabilitated structure, by a reduced duration of the construction works and consequently by reduced overall costs.

The aim of the research project consists in preparing the technological basis for the application of UHPFRC for rehabilitation interventions on highway structures and in showing possible increase in efficiency using this new technology, when compared to ordinary rehabilitation methods.

Forschungsplan (Deutsch)

Der Forschungsplan beinhaltet vier Module, die über eine Dauer von 2 Jahren bearbeitet werden sollen (siehe Anhang 4). Das Arbeitsprogramm ist tabellarisch im Anhang 4 zusammen mit der Angabe der Meilensteine dargestellt.

Umsetzung und Anwendungen (Deutsch)

Das vorgeschlagene Projekt hat die praktische Umsetzung und Anwendung der bisherigen, grundlegenden Forschungen am MCS-EPFL zum allgemeinen Ziel. Dabei sollen Anwendungsmöglichkeiten entwickelt sowie die oben genannten technologischen Aspekte optimiert und weiterentwickelt werden. Im Hinblick auf die Umsetzung und Anwendung werden die Ergebnisse des Projekts in Form eines Forschungsberichts und Empfehlungen für die Anwendung von UHLFB bei der Instandsetzung und Veränderung von Kunstbauten aufbereitet werden.

Berichtsnummer (Deutsch)

644

Literatur (Deutsch)

Publikationen (Auswahl) der bisherigen Arbeiten des MCS-EPFL (siehe Anhang 3 ):

1. Brühwiler, E., Denarié, E., Putallaz, J.-C.: Instandsetzung einer Betonbrücke mit ultrahochleistungsfähigem Faserfeinkornbeton (UHLFB). Beton- und Stahlbetonbau, 100. Jahrgang, Heft 9, September 2005.

2. Brühwiler, E., Denarié, E., Habel, K.: Ultra-High Performance Fibre Reinforced Concrete for advanced rehabilitation of bridges. Proceedings (eds G.L. Balasz & A. Borosnyoi), fib-Symposium, Budapest, May 23-25, 2005, pp. 951-956.

3. Charron, J.-P., Denarié E., Brühwiler, E. (2005) Permeability of Ultra-High Performance Fibre Reinforced Concrete (UHPFRC) under high stresses, Materials and Structures, in press.

4. Denarié E. (2005). Structural rehabilitations with Ultra-High Performance Fibre Reinforced Concretes (UHPFRC), Keynote lecture for International Conference on Concrete repair, rehabilitation and retrofitting – ICCRRR 2005, 21-23, November 2005, Cape Town, South Africa.

5. Denarié E., Wuest J., Putallaz J.C., Brühwiler E., (2005), Béton Fibré Ultra Performant: première application en réhabilitation, Tracés n° 17, 7 septembre 2005, Ecublens.

6. Habel K. (2004) Structural Behaviour of Elements Combining Ultra-High Performance Fibre Reinforced Concretes (UHPFRC) and Reinforced Concrete. Doctoral thesis n° 3036, Swiss Federal Institute of Technology Lausanne (EPFL), Switzerland.

7. Habel K., Charron J.P., Denarié E., Brühwiler E., (2005), Autogenous deformations and viscoelasticity of UHPFRC in structures – Part I and II: Experimental results and Numerical Modelling. In press, Magazine of Concrete Research.

8. Habel, K., Denarié, E., Brühwiler, E. (2005) Bauteile aus ultrahochleistungsfähigem Faserbeton (UHPFRC) und traditionellem Stahlbeton - Eine innovative Lösung zur Instandsetzung und Veränderung bestehender Betonbauten. Beton- und Stahlbetonbau, 100. Jahrgang, Heft 2, Februar 2005, S. 124-131.

9. Herwig A., (2005), Ermüdungsversuche mit Mischbauteilen aus ultrahochleistungsfähigem Faserfeinkornbeton und Stahlbeton, Verlängerung der Nutzungsdauer hoch beanspruchter Fahrbahnplatten, in Proceedings 45. Forschungskolloqium des DAfStb, 6.-7.Oktober 2005, Wien, Ernst & Sohn, pp. 93-96.

10. Kamen A., Denarié E., Brühwiler E., (2005) Mechanical Behaviour of Ultra High Performance Fibre Reinforced Concretes (UHPFRC) at early age, and under restraint. Proceedings CONCREEP 7, September 12-14, 2005 – Nantes, France, Eds. G. Pijaudier-Cabot, B. Gérard, P. Acker, Hermès Publishing, pp. 591-596.

11. SAMARIS D22. (2005). Full scale application of UHPFRC for the rehabilitation of bridges – from the lab to the field, in European project 5th FWP / SAMARIS – Sustainable and Advanced MAterials for Road Infrastructures – WP 14: HPFRCC, http://samaris.zag.si/.