„Nachhaltiges Bauen mit UHPC"

 
 

DFG-Schwerpunktprogramm
„Nachhaltiges Bauen mit Ultra-Hochfestem Beton zur
Leistungssteigerung, Umweltentlastung und Kostensenkung im Betonbau“

Ausschreibung

DFG-Schwerpunktprogramm

„Nachhaltiges Bauen mit Ultra-Hochfestem Beton

(UHPC )

zur

Leistungssteigerung, Umweltentlastung und Kostensenkung im

Betonbau

Kassel, den 1.11.2004

Zusammenfassung

Bauwerke aus üblichem Normalbeton sind traditionell schwer, massiv und verbrauchen erhebliche Mengen an Energie und Rohstoffen. Dies liegt einerseits an der hohen Rohdichte der Hauptbestandteile Kies, Sand und Zement und an dem hohen Energieverbrauch von jährlich insgesamt etwa 70 GJ für die Zementherstellung. Andererseits ist seine Festigkeit so begrenzt, dass trotz Stahlbewehrung große Querschnitte erforderlich sind, um die im Bauwerk auftretenden Beanspruchungen aufzunehmen. Bei weit gespannten Bauteilen – wie z.B. Brückendecks oder Hallenbindern – begrenzt deshalb das Eigengewicht des Betons die möglich Spannweite, nicht die Nutzlast.

Ultra-Hochleistungsbeton (UHPC) ist dagegen ein völlig neuer, sehr gefügedichter Beton mit einer stahlähnlich hohen Druckfestigkeit von bis zu 250 N/mm2, und einer Biegezugfestigkeit bis zu 50 N/mm2. Er ist bis zu 10-mal fester als üblicher Beton. Bauwerke mit diesem Baustoff können deshalb bei gleicher Tragfähigkeit wesentlich filigraner, leichter und ästhetischer gestaltet werden. Zudem ist UHPC außerordentlich korrosionsbeständig. Bauschäden können vermieden werden, deren Behebung jährlich Milliarden Euro kostet. UHPC eröffnet der Betonbauweise völlig neue Möglichkeiten.

Mit UHPC können bei gleichen Bauteilen schätzungsweise rd. 60% der Rohstoffe sowie bis zu rd. 40% der Energie und der CO2 Emissionen eingespart werden. Dieser Vorteil ist vor dem Hintergrund zu sehen, dass jährlich für das Bauwesen etwa 700 Mio. t Gestein produziert werden und dass allein für die Zementherstellung jährlich rd. 70 Mio. GJ Energie verbraucht und rd. 17 Mio. t CO2 emittiert werden. Mit UHPC ist eine nachhaltige Entlastung möglich.

Der Deutsche Ausschuss für Stahlbeton im DIN hat das weltweit vorhandene Wissen über UHPC in einem Sachstandsbericht zusammengestellt. Daraus geht hervor, dass der High-Tech-Werkstoff und seine Anwendung abgesehen von einigen singulären Forschungsvorhaben und wenigen Pilotprojekten bei Weitem noch nicht ausreichend erforscht ist, um ihn sicher zu beherrschen und regelmäßig anwenden zu können.

Aus dem Bericht ergeben sich fünf grundlegende Themenkreise, die im Rahmen eines Schwerpunktprogrammes zu behandeln sind. Sie betreffen sowohl werkstoffliche als auch konstruktive, bemessungstechnische und sicherheitsrelevante Aspekte:

  • Welchen Einfluss haben die Ausgangsstoffe und die Zusammensetzung des UHPC auf die rheologischen Eigenschaften des Frischbetons und auf die Werkstoffstruktur des Festbetons und wie lassen sie sich modellieren und betontechnologisch optimieren?

  • Welches Festigkeits- und Verformungsverhalten ist typisch für UHPC mit und ohne Stahlfasern, wie versagt er, welche Materialkennwerte charakterisieren ihn eindeutig und wie ist das gewünschte Verhalten zielsicher und reproduzierbar zu erreichen?

  • Wie widerstandsfähig ist UHPC gegen äußere Angriffe z.B. durch Witterung, chemisch angreifende Stoffe, Verschleiß und gegen „innere“ strukturelle Veränderungen.

  • Wie konstruiert und bemisst man Bauteile aus UHPC stoffgerecht, um die Eigenschaften des Betons im Bauwerk möglichst weitgehend ausnutzen?

  • Welchen Einfluss haben die Herstellung und die Verarbeitung auf die Eigenschaften – und wie lassen Sie sich durch geeignete Verfahren zielsicher und reproduzierbar erreichen?

Ziel des Schwerpunktprogramms ist es, die technisch-wissenschaftlichen Grundlagen für die

möglichst breite Anwendung von Ultra-Hochleistungsbetonen in der Praxis zu schaffen.

 

1. Stand des Wissens

Der Deutsche Ausschuss für Stahlbeton im DIN hat das weltweit vorhandene Wissen über UHPC in einem Sachstandbericht zusammengestellt [5]. Dabei ergab sich, wie im folgenden noch ausführlich dargestellt wird, dass der neue High-tech-Werkstoff bislang nur in einigen singulären Forschungsvorhaben und wenigen Pilotprojekten untersucht und angewendet wurde [5,8,9,62,63]. Einige Details der Zusammensetzung sind patentiert [10,11]. Als weitere Versuchanwendung wurde in diesem Jahr eine erste Brücke in Kassel gebaut [88]. Im Jahr 2005 wird ebenfalls in Kassel eine rd. 150 m lange Fußgängerbrücke gebaut, deren Brückendeck nur 8 cm dick sein wird [12,87]. Nachfolgend ist der Stand der Forschung kurz zusammengefasst.

 

1.1 Überblick über den Stand der Forschung

Zum Stand des Wissens über UHPC in Deutschland und weltweit wird insbesondere auf folgende zusammenfassende Publikationen verwiesen:

  • Sachstandbericht „UHPC“ des Deutschen Ausschuss für Stahlbeton (Entwurf) [5]

  • Schmidt, Fehling, Geisenhanslüke (Hrg.): Ultra High Performance Concrete (UHPC). Proceedings of the International Symphosium on Ultra High Performance Concrete, Universität Kassel, 13.-15. September 2004 [85],

  • König, Holschenmacher, Dehn (Hrg.): Ultrahochfester Beton [86],

  • Fehling, Schmidt, Bunje, Middendorf, Teichmann: Entwicklung, Dauerhaftigkeit und Berechnung Ultra-Hochfester Betone (UHPC) (DFG-Forschungsprojekt) [87] und

  • Schmidt, Fehling (Hrg.): Ultra-Hochfester Beton – Planung und Bau der ersten Brücke mit UHPC in Europa [88].

Die hohe Leistungsfähigkeit von UHPC ist in erster Linie auf eine sehr niedrige Porosität der zementgebundenen Matrix, auf einen besonders guten Verbund zwischen den reaktiven Bestandteilen und den inerten, feinen und groben Gesteinskörnern und insgesamt auf das sehr homogene Gefüge zurückzuführen. Dazu gehört auch, dass die sonst bei Beton üblichen Gefügestörungen - zu denen u.a. Poren und Mikrorisse zählen - stark verringert werden, weil die Matrix und die Gesteinskörner praktisch die gleiche Festigkeit und das gleiche Verformungsverhalten aufweisen [10,16-26,85,86,87]. Die im Vergleich zu Normalbeton sehr niedrige Porosität des Gefüges von UHPC und seine sehr viel höhere Festigkeit beruhen im Wesentlichen auf drei Maßnahmen, die letztendlich zu auch einem neuen, wesentlich erweiterten betontechnologischen Gestaltungsansatz führen:

  • Die Wassermenge wird auf nur noch etwa 20% vom Zement reduziert. UHPC enthält dadurch praktisch keine Kapillarporen mehr.

  • Um UHPC dennoch sicher verarbeiten zu können, werden hoch wirksame Fließmittel zugegeben. Sie verflüssigen den frischen Beton trotz des niedrigen Wassergehaltes so wirksam, dass er bei Bedarf von selbst fließt und sich nahezu selbst verdichtet [5,8,38,39].

  • Zusätzlich werden seine Porosität weiter verringert und seine Festigkeit gesteigert, indem dem Zementstein – der Matrix – mehrere, unterschiedlich feine, teilweise reaktive Feinststoffe mit einer Korngröße von weniger als rd. 0.25 mm zugegeben werden. Ihre Korngröße, Kornzusammensetzung und Teilmengen sollten so gewählt und aufeinander abgestimmt werden, dass eine sehr hohe Packungsdichte erreicht wird.

Der derzeitige Stand des Wissens über UHPC kann wie folgt zusammengefasst werden:

Besonderheiten der Zusammensetzung und der Gefügestruktur von UHPC

UHPC besteht bislang aus 600 bis 900 kg/m³ Zement, bis zu rd. 250 kg sehr feinem, reaktivem Microsilica, unterschiedliche feinen Gesteinsmehlen und Sand. Über 40 Vol.-% des Betons sind dadurch Feinststoffe mit einer Korngröße von weniger als 0.25 mm. Die hohe Dichtigkeit und damit einhergehende gesteigerte Festigkeit werden wesentlich durch eine hohe Packungsdichte erzielt. [20,27,28,29,35].

Mit zunehmend dichterer Kornpackung der Matrix nimmt die Druckfestigkeit bei gleich bleibendem w/z-Wert deutlich zu, nach [8,16,30] z.B. von rd. 150 auf rd. 200 N/mm2. Es genügt deshalb bei UHPC nicht mehr, der Mischungszusammensetzung den bekannten direkten Zusammenhang zwischen w/z-Wert und Druckfestigkeit nach Walz zugrunde zu legen, wie dies bei Normalbeton üblich ist. Der erstmals in [ 8 ] definierte Wasser-Feststoffwert w/ Fv ist ein weiteres, zusätzliches Kriterium, das allerdings noch der weiteren Untersuchung und Absicherung bedarf.

Der Zementgehalt von UHPC ist bislang vergleichsweise hoch. Dementsprechend ausgeprägt ist das autogene Schwinden. In orientierenden Versuchen gelang es, kornoptimerten ultrahochfesten Beton mit nur noch 480 kg Zement und einem w/z-Wert von rd. 0.38 herzustellen [27]. Würde sich dies bestätigen, so könnte die Nachhaltigkeit von UHPC noch einmal wesentlich verbessert werden, weil die Rohstoff, Energie- und Emissionsbilanz noch deutlich günstiger ausfiele.

Nach De Larrard und Sedran [33] kann die Optimierung des Korngemisches z. B. mit Hilfe von Packungsmodellen rechnerisch realisiert werden, wenn die Kornzusammensetzung ausreichend genau bekannt ist. Dabei werden aber als Hilfsmittel zur Sieblinienoptimierung in der Regel Modelle genutzt, die auf dem zweidimensionalen Ansatz nach Fuller beruhen. Da sie jedoch den eigentlich dreidimensionalen, räumlichen Aufbau der Kornpackung und andere wichtige Einflüsse – wie z.B. die Kornform - nicht berücksichtigen, weichen die Ergebnisse derzeit noch zu weit von der im Experiment nach Puntke [35] oder Okamura [81] iterativ bestimmten optimalen Packungsdichte ab. Da das iterativ-experimentelle Vorgehen im Einzelfall aber sehr aufwendig ist, wären verlässliche, an realen Stoffen validierte Stoff- und Rechenmodelle äußerst hilfreich.

Gleiches gilt für die Auswirkung der Kornoptimierung auf das rheologische Verhalten des Frischbetons [8,32,37]. Auch diese Frage sollte zukünftig Teil eines abgesicherten rheologischen Modells sein.

Neben dem eher physikalischen Einfluss der Kornpackung können sich die hydrothermalen Bedingungen und die veränderte Porosität auf die Phasenbildung während der Hydratation auswirken. UHPC wird häufig bereits kurz nach der Herstellung bei Temperaturen um 90°C mit und ohne zusätzliche Bedampfung wärmebehandelt. Bisherige Untersuchungen zeigen, dass bei einer Temperatur von ca. 90 °C die Erhärtung stark beschleunigt wird [8,32,38].

Nachteiligen Folgen der Wärmebehandlung wurden bisher nicht festgestellt. Allerdings wurden der Hydratationsablauf bei Wärmezufuhr und die zeitliche Veränderung der Mikrostruktur noch nicht untersucht. Dies gilt auch für die Frage, ob und inwieweit in der sehr dichten, praktisch kapillarporenfreien Struktur der Matrix CSH-Phasen entstehen, die sich in Tracht und Habitus von denen in üblichen, porösen Betonen mit anderen Wachstumsbedingungen unterscheiden.

Damit wäre u.U. ein Ansatz verbunden, die hohe Dichtigkeit des UHPC zu erklären und gleichzeitig die Leistungsfähigkeit weiter zu steigern.
Weitgehend offen ist auch die Interaktion zwischen Zement, Feinststoffen und Zusatzmitteln.

UHPC werden wegen des niedrigen w/z-Wertes und des dadurch geringen Wassergehaltes immer mit größeren Mengen an hochwirksamen Fließmitteln auf der Basis von Polycarboxylatethern hergestellt [5,8,40]. Solche Mittel können mit verschiedenen Zementen z.T. sehr unterschiedlich wirken. Außerdem wurde festgestellt, dass einige Fließmittel - teilweise in Abhängigkeit von bestimmten Zementen - das Erstarren des Betons z.T. stark verzögern oder beschleunigen können [8, 40]. Es ist bislang nicht bekannt, welche Ursachen die unterschiedliche Wirkungsweise hat, wie unerwünschte Reaktionen mit Sicherheit ausgeschlossen werden können und welche Fließmittel-Zement Kombinationen besonders günstig sind.

Festigkeits-, Verformungs- und Bruchverhalten von UHPC mit und ohne Fasern

Ultrahochfeste Betone sind durch extrem kleine Wasser-Bindemittelwerte, eine hohe Packungsdichte der Stoffpartikel und die Minimierung von Gefügestörungen in Form von Poren und Mikrorissen gekennzeichnet. Hierdurch wird parallel zur hohen Festigkeit ein extrem sprödes Verformungs- bzw. Bruchverhalten erzeugt. Erst der Einsatz von Fasern verleiht diesem Beton die für die Praxis notwendige Duktilität bzw. Resttragfähigkeit und eröffnet ein breites Anwendungsspektrum im Bauwesen.

Als Fasern wurden bislang überwiegend Stahlfasern, in wenigen Fällen auch Glas- und Kohlenstofffasern oder Fasercocktails sowie textile Bewehrungssysteme verwendet [5,8,41]. Erste Versuche mit höherfesten Kunststofffasern lassen sie ebenfalls als geeignet erscheinen [42], verbunden mit dem Vorteil, dass sie nicht korrodieren. Die Fasern hemmen die Rissausbreitung („Rissbremse“) und bewirken parallel zur damit verbundenen Steigerung der Duktilität erwartungsgemäß auch eine Reduktion der Streumaße der Festigkeit [43,44]. Bisher überwiegend verwendet wurden zwischen 2 und 6 Vol.-% an 6 bis 17 mm langen Fasern mit einem lf/df-Verhältnis zwischen 40 und 60 [58, 9,11,12,15,23,25,28,31,32]. Weitere Ergebnisse zum Einfluss von Fasern finden sich auch in [85]. Erkenntnisse darüber, wie die Faserwirkung bei feinem und grobkörnigem UHPC vom Fasertyp, vom Fasergehalt, der Faserform (insbesondere lf/df-Verhältnis) und der Einbettung in die Matrix abhängt, liegen noch nicht vor.

Die Wirksamkeit der Fasern für die Festigkeits- und die Verformungseigenschaften hängt bei Normalbeton ganz wesentlich von Ihrer gleichmäßigen Verteilung und ihrer Lage und Orientierung im Beton ab [45]. Bei UHPC mit seiner im Allgemeinen fließfähigen Konsistenz wurde dieser wichtige Einfluss auf die Tragfähigkeit und auf die Streuung der Festigkeits- und  Verformungseigenschaften

bisher nicht systematisch untersucht. Ebenso ist nicht bekannt, wie die Lage der Fasern und ihre gleichmäßige Verteilung in UHPC unterschiedlicher Konsistenz bei der Herstellung gezielt beeinflusst werden können. Zudem fehlen Methoden, um die Lage der Fasern im Beton ausreichend genau feststellen und überwachen zu können. Für die gezielte, gleichmäßige Herstellung von faserhaltigem UHPC ist die Klärung dieser Fragen besonders wichtig.

Die Druckfestigkeit von ultra-hochfesten Betonen mit und ohne Fasern kann u.U. weiter bis

auf über 800 N/mm² gesteigert werden [19,26,46]. Für die Praxis interessante Betonmischungen

führen im Zuge einer vergleichsweise konventionellen Betonherstellung bei moderater

Wärmebehandlung zu Druckfestigkeiten von bis zu ca. 250 N/mm², siehe [8], [47] und insbesondere

[85]. Alle bisherigen Untersuchungsergebnisse zur Druckfestigkeit von UHPC in Abhängigkeit

verschiedener Einflussgrößen stellen lediglich Prüfergebnisse im Sinne der Materialprüfung

dar. Es fehlt die Einbettung in ein werkstoffwissenschaftliches Modell und damit eine

zielgerichtete Beschreibung der Einflussgrößen und die Möglichkeit der Vorhersage der Festigkeitshöhe

und -entwicklung.

Die Zug- und Biegezugfestigkeit ultra-hochfester Betone liegen, abhängig von der Druckfestigkeit

bzw. der Betonzusammensetzung und vor allem dem Fasergehalt, in einer Spanne zwischen

ca. 5 und 60 N/mm² [5,8,16,47-50]. Für RPC-Betone (Reaktive Powder Concrete) werden

sogar Zugfestigkeiten bis 140 N/mm² erreicht. Neben dem Fasergehalt spielt das lf/df-

Verhältnis eine maßgebende Rolle. Bei längeren Fasern (lf/df = 60) ist die Tragfähigkeit des

bereits gerissenen Prüfkörpers oder Bauteils aufgrund der größeren wirksamen Einbindelänge

bei gleicher Dehnung wesentlich größer als bei kürzeren Fasern (lf/df = 40) [16]. Versuchsergebnisse

von Fehling und Bunje (siehe [5]) deuten auf einen ausgeprägten Maßstabseffekt bei

unterschiedlich großen Prüfkörpern hin. Auch in dieser Hinsicht ist Forschungsbedarf angezeigt,

um abgesicherte, für die Bemessung verwertbare Kennwerte zu erhalten.

Der Kenntnisstand in Bezug auf Bruchprozesse und bruchmechanische Kennwerte bei ultrahochfesten

Betonen ist in jüngster Zeit erheblich gewachsen, siehe z. B. [46, 51-53] und insbesondere

[85]. Bruchenergie und charakteristische Länge hängen ausgeprägt vom Fasergehalt

ab und sind bei üblichen Fasergehalten von etwa 2 bis 3 Vol.-% um ca. 2 Zehnerpotenzen

höher als bei unbewehrten ultra-hochfesten Betonen. Nahezu allen Untersuchungen ist jedoch

gemeinsam, dass Sie kaum über die Ermittlung von Kennwerten hinausgehen. Die Einbettung

in schlüssige Materialmodelle fehlt. Diese muss jedoch angestrebt werden, will man die Tragfähigkeit

ultra-hochfester Betone durch geeignete Bemessungskonzepte in der Praxis ausschöpfen.

Ansätze zur mikromechanischen Modellierung, wie sie z. B. in [52] oder [54] vorliegen,

bieten interessante Ansatzpunkte.

Zum Elastizitätsmodul ultra-hochfester Betone liegen eine Reihe abgesicherter Versuchsergebnisse

vor [85]. In Abhängigkeit von der Betonzusammensetzung, vom Größtkorn, von der

Druckfestigkeit und vom Prüfverfahren wurden Werte bis ca. 70 kN/mm² gemessen [8, 49]. Die

Faserzugabe zeigte keinen nennenswerten Einfluss. Mit der Verschiebung der Festigkeit nach

oben geht zudem ein Anstieg der Linearitätsgrenze einher, die bei ultra-hochfesten Betonen

bei Druckbeanspruchung auf Werte über 70 % bis rd. 90% der Druckfestigkeit anwächst. Zum

Einfluss des Alters und der Umgebungs- bzw. Erhärtungsbedingungen sind noch einzelne

Wissenslücken vorhanden.

Über Untersuchungen zum Schwinden ultra-hochfester Betone wird in [8,55,57,90] berichtet.

Eine vergleichende Auswertung der stark streuenden Ergebnisse dieser Autoren, die Endschwindmaße

von 0,2 bis über 1,0 ‰ ermittelten, wurde in [58] vorgenommen. Dabei zeigt

sich, dass weder über die Größe des Grundschwindens (Schwinden bei verhindertem Feuchte-

austausch) noch die diesbezüglichen Einflussparameter hinreichend Klarheit besteht. Dies

gilt auch unter Einbezug neuester Untersuchungsergebnisse in [85]. Zentrale Einflussparameter

sind unstrittig der Wasser-Bindemittelwert und der im Vergleich zu Normalbeton sehr viel

höhere Zementgehalt, der den autogenen, hydratationbedingten Anteil am Gesamtschwindmaß

vergrößert. Ausschlaggebend für die große Bandbreite der Endschwindmaße im Schrifttum

sind jedoch weniger die Mischungskennwerte selbst als vielmehr der Zeitpunkt des Beginns

der Messungen, weil gerade im sehr jungen Alter (< 1 Tag), also vor dem üblichen

Messbeginn, große Verformungen auftreten. Als gesichert kann lediglich gelten, dass das

hydratationbedingte „innere“ Grundschwinden bei ultrahochfesten Betonen offenbar sehr

schnell abklingt und das Trocknungsschwinden praktisch nicht mehr auftritt, wenn der Beton

kurz nach der Herstellung wärmebehandelt wurde.

Das Kriechen ultra-hochfester Betone unter dauernder Druckbelastung wurde von Fehling

und Schmidt [8] und in Tastversuchen von Brooks [55] und Munoz et al. [59] an Betonen mit

und ohne Fasern mit einer Festigkeit von ca. 150 – 225 N/mm² bei einem Belastungsbeginn

nach 7 Tagen untersucht. Einzelne weitere Versuchsergebnisse werden in [85] vorgestellt.

Trotz sehr geringer Wassergehalte der ultra-hochfesten Betone wurden nennenswerte Kriechverformungen

beobachtet, wobei überraschenderweise neben dem Grundkriechen auch in

geringem Umfang ein Trocknungskriechen auftrat. Die Zumischung von Fasern [55] reduziert

das Kriechen ebenso wie die Verwendung von einem hochfesten Basaltzuschlag mit einem

Größtkorn von 8 mm [8]. Nähere Angaben, insbesondere zu wichtigen Einflussgrößen (siehe

[60]) auf das Kriechen, fehlen noch weitgehend.

Auch auf dem Gebiet des Ermüdungsverhaltens sind bisher ebenfalls lediglich einige wenige

Erkenntnisse gesammelt worden. Unter Druckschwellbeanspruchungen zeigen faserverstärkte

ultra-hochfeste Betone ein ähnliches Verhalten wie Normalbetone [8,16,61]. In [8] wurden an

einem hoch faserhaltigen Feinbeton bei einer bezogenen Schwingbreite von 45% der Druckfestigkeit

(150 N/mm2) erst bei 1,7 Mio. Lastwechseln erste feine Risse beobachtet, wobei

jedoch noch kein Versagen auftrat. Ein grobkörniger Beton (Druckfestigkeit ca. 200 N/mm²)

erreichte bei einer Oberlast von 40% der Höchstlast 2 Mio. Lastwechsel, ohne dass eine

Schädigung festgestellt werden konnte. Abgesehen von diesen und einigen in [85] beschriebenen

sehr punktuellen Untersuchungsergebnissen sind keine weiteren Erkenntnisse zum

Ermüdungsverhalten ultra-hochfester Betone mit und ohne Fasern bekannt. Offen ist z.B.

auch, wie sie sich unter Wechsellast verhalten und wie sich die Annahmen über die Schwellfestigkeit

ändern, wenn in UHPC mit Stahlfasern feine Risse vorhanden sind, wie sie z.B. in

Brücken infolge Eigenspannungen auftreten können.

Erfassung und Bewertung des Dauerhaftigkeitspotenzials von UHPC

Die Zementsteinstruktur sowie die Kontaktzone zwischen den feinen Gesteinskörnungen und

dem Zementstein haben bei ultra-hochfesten Betonen deutlich andere Eigenschaften als bei

Normalbeton oder auch bei hochfesten Betone mit Festigkeiten bis 100 N/mm². Ultrahochfeste

Betone werden mit Wasserzementwerten von 0,17 bis 0,23 hergestellt z. B. [5,8,64]. Das bedeutet,

dass zur vollständigen Hydratation des Zementes nicht ausreichend Wasser zur Verfügung

steht. Die unhydratisierten Klinkerkerne verbleiben als hochfeste feine Komponenten

mit optimalem Verbund zur hydratisierten Zementsteinmatrix. Dadurch sind kaum noch Kapillarporen

vorhanden, durch die sonst schädliche Gase, Wasser und betonaggressive Lösungen

in den Beton eindringen können. Die Carbonatisierung der Betonrandzone wird dadurch –

zumindest bei Laborlagerung - wesentlich verlangsamt und das Eindringen von korrosionsfördernden

Chloridionen nahezu verhindert [5,8]. In beiden Fällen fehlen allerdings noch Nachweise,

ob und inwieweit die z.T. zeitraffenden Laborversuche auf reale Umwelt- und Bauteilverhältnisse

übertragen lassen.

Die bislang vorliegende Erfahrung mit ultra-hochfesten Betonen zeigten aber auch, dass es in

jungem Alter nach dem Ansteifen bis zum Ende des Erstarrens und in den ersten Tagen der

Festigkeitsentwicklung eine erhöhte Neigung zur oberflächennahen Mikrorissbildung gibt [64

bis 68]. Diese Rissbildungsanfälligkeit ist auf die Neigung zur Selbstaustrocknung und die damit

im Zusammenhang stehende autogene Schwindverformung zurückzuführen, die durch den

hochfeinen und sehr reaktiven Silikastaub sehr stark unterstützt wird. Inwieweit eine solche

feine Mikrorissbildung an der Oberfläche die Dauerhaftigkeit des Betons beeinflusst, ist bislang

nicht näher untersucht worden, ist aber für die baupraktische Eignung insbesondere bei

Außenbauteilen von fundamentaler Bedeutung.

Bezüglich des Frost- und Frosttaumittelwiderstandes stellt sich aufgrund der bisherigen

Laborversuche in [8,69] die Frage, ob infolge des sehr dichten Gefüges bei ultra-hochfestem

Beton überhaupt ein Schädigungspotential besteht und wenn ja, ob diesem wie bei Normalbeton

durch künstliche Luftporen begegnet werden kann. Auch zu diesem Fragenkomplex gibt

es bislang allerdings nur Laboruntersuchungen mit den an Normalbetonen geeichten, herkömmlichen

Prüfverfahren [69]. Die Frage ist auch hier, wie die Ergebnisse auf das Verhalten

in der Praxis übertragen werden können und ob bei dem praktisch porenfreien Gefüge und

dem ohne Fasern sehr spröden Verformungsverhalten die gleichen physikalisch-chemischen

Wirkmechanismen gelten, wie bei Normalbeton.

Bei hochfesten Betonen mit Druckfestigkeiten um 100 N/mm2 hat man gelegentlich Festigkeitsverluste

mit zunehmendem Alter beobachtet. In vielen Fällen konnten solche Festigkeitsverluste

auf sekundäre Ettringitbildung, ausgelöst oder unterstützt durch hohe Hydratationstemperaturen

und/oder eine frühe Wärmebehandlung zurückgeführt werden. Inwieweit

auch bei ultra-hochfesten Betonen mit sehr hohem Zementgehalt eine solche Gefahr besteht,

wurde bislang ebenfalls nur in Einzelfällen untersucht. In [8,70,88] konnte zwar selbst bei längerer

Lagerung in konzentrierter Sulfatlösung kein Ettringit nachgewiesen werden, wenn ein

Zement mit hohem Sulfatwiderstand verwendet wurde. Generell kann aber diese Gefahr noch

nicht ausgeschlossen werden. Andererseits müssen bei Normalbeton für den Fall, dass die

Sulfatkonzentration in der angreifenden Lösung 3.000 mg SO4/l übersteigt, besondere

Schutzmaßnahmen ergriffen werden, um einen Kontakt der sulfathaltigen Lösung mit dem

Beton zu verhindern. Wenn es sich bestätigt, dass wegen der hohen Dichtigkeit ultrahochfester

Betone auch bei deutlich höheren Sulfatkonzentrationen eine ausreichende Widerstandfähigkeit

gegeben ist, würde das den Einsatzbereich von Betonkonstruktionen bei extremer

Sulfatbelastung deutlich erhöhen.

Durch Untersuchungen an Betonmischungen mit sehr hohen Puzzolangehalten [71] ist bekannt,

dass die pH-Werte der Porenlösung bei vollständiger Reaktion der Calziumhydroxid-

Reserven durch die Reaktion mit dem Silikastaub auch unter 12,5 absinken können, wodurch

zumindest potenziell das Risiko der Instabilität der Calziumsilikathydratphasen, der Entfestigung

des Betons Und der Depassivierung des Betonstahls gegeben ist. Inwieweit ein solches

Risiko auch bei ultrahochfesten Betonen mit hohen Puzzolangehalten und ggf. hohen Hüttensandgehalten

gegeben ist, bedarf dringend der Klärung, um ein Langzeitrisiko auszuschließen

Relativ umfangreiche Untersuchungen liegen zum Säurewiderstand von Hochleistungsbetonen,

nicht jedoch von UHPC vor [72]. Hierbei hat sich gezeigt, dass allein durch ein Absenken

des Wasserzementwertes unter 0,3 der Säurewiderstand nicht weiter gesteigert werden kann,

da sich die für den Säureangriff anfällige kalkhaltige Zementsteinmatrix in ihrer Struktur nicht

mehr ändert. Durch eine optimale Kornpackung der Matrix und/oder die Wahl dafür geeigneter

Zemente kann der Säurewiderstand von UHPC möglicherweise weiter verbessert und so eine

potenzielle Schwäche des Betons ausgeglichen werden.

Ultrahochfeste Betone werden in aller Regel mit höheren Silikastaubdosierungen hergestellt.

Dabei besteht die Gefahr, dass durch Silikastaubagglomerationen Treibreaktionen mit den

hochalkalischen Bestandteilen der anderen Bindemittelkomponenten entstehen. Die Gefahr

wird insbesondere bei dem häufig verwendeten kompaktierten Silikastaub gesehen. Auch zu

dieser Frage sind trotz erster Erkenntnisse von [39] weitere Untersuchungen zur Quantifizierung

eines eventuellen Risikos dringend erforderlich.

Die Eigenschaften von ultra-hochfesten Betonen ohne Fasern – insbesondere ihre hohe Sprödigkeit

- lassen deren baupraktischen Einsatz in erster Linie für Konstruktionsprinzipien sinnvoll

erscheinen, bei denen dem Beton ausschließlich Druckkräfte zugewiesen werden. Die

üblichen Fragen der Bewehrungskorrosion, ausgelöst durch Carbonatisierung des Betons oder

durch Eindringen von Chloriden erscheinen für solche Betone deshalb vordergründig nicht

von hoher Bedeutung zu sein.

Werden allerdings Fasern – insbesondere Stahlfasern – zum Ausgleich der Sprödigkeit

und/oder zur Erhöhung der Zug- und Biegezugfestigkeit zugegeben, so stellt sich die Frage

nach ihrem Korrosionswiderstand. Erfahrungen von normalfesten Stahlfaserbetonen zeigen

zwar, dass das Korrosionsrisiko von Stahlfasern, die bis zur Oberfläche reichen, auf wenige

Millimeter des Oberflächenbereichs beschränkt ist. Ob und inwieweit dies auch für oberflächennahe

Stahlfasern in ultra-hochfesten Betonen gilt, deren Alkalitätspotenzial u.U. durch

sehr hohe Mengen an Silikastaub vermindert ist, ist bislang nicht untersucht worden, ist aber

für den Einsatz bei Außenbauteilen von vordringlicher Bedeutung. Noch bedeutender dürfte

aber eine Antwort auf die Frage sein, ob und bis zu welcher Rißbreite der Korrosionswiderstand

von Stahlfasern gegeben ist, wenn in unbewehrten zugbeanspruchten Bauteilen aus

faserbewehrtem UHPC z.B. durch Zwang- oder Lastspannungen feine Risse auftreten.

Bei Brandbeanspruchung versagten unbelastete Prüfkörper aus UHPC wegen des sehr

dichten Gefüges und des spröden Verformungsverhaltens schlagartig und zerfielen teilweise

vollständig. Stahlfasern allein führten nicht zu einem ausreichenden Brandwiderstand. Zahlreiche

Untersuchungen [73,74,76] ergaben aber, dass der Brandwiderstand durch die Zugabe

von bis zu rd. 3 Vol.-% kurzer, gleichmäßig verteilter Polypropylenfasern nachhaltig verbessert

werden kann. Allerdings ist die Frage noch ungeklärt, wie sich druck- oder zugbelastete Bauteile

bei Brandbeanspruchung verhalten und wie generell der Mechanismus im sehr dichten

Gefüge des UHPC beschrieben werden kann.

Grundsätzliche Aspekte der stoffgerechten Konstruktion und Bemessung mit UHPC

Die bisher mit UHPC erstellten Bauwerke und Bauteile wurden jeweils im Einzelfall bemessen,

und zwar auf der Grundlage individueller gutachterlicher Vorgaben [15]. In Frankreich existieren

bereits vorläufige Bemessungsregeln [77]. Allgemein übertragbare Bemessungsregeln, die

die stofflichen Vorteile des UHPC möglich weitgehend ausschöpfen, ohne die notwendigen

Sicherheitsaspekte außer Acht zu lassen, existieren bislang nicht.

In [15,78] werden weitgehend abgesicherte Bemessungsmodelle, die sich an die DIN 1045-1

und an die DAfStb-Richtlinie Stahlfaserbeton [79] anlehnen, für die Tragfähigkeit durch Biegung

und Normalkraft angegeben. Diese Bemessungsmodelle werden bereits in dem

Sachstandsbericht UHPC [5] berücksichtigt. Für Querkraftbeanspruchung liegen derzeit nur

Ergebnisse für Bauteile ohne stabförmige Querkraftbewehrung vor [8,88]. Die günstige Wirkung

von Stahlfasern auf die Quertragfähigkeit haben die Versuche in [8] verdeutlicht. Maßstabseinflüsse,

die zum einen auf bruchmechanische Effekte und zum anderen auf die anisotrope

Faserausrichtung in der Nähe von Schalungsflächen zurückzuführen sind, sind noch

nicht vollständig geklärt. Ein Bruchmechanisches Modell zur Beschreibung der durch die Fasern

verbesserten Querkrafttragfähigkeit liegt zur Zeit jedoch noch nicht vor. Da insbesondere

die filigrane Bauweise mit UHPC gefördert werden soll, besteht besonderer Forschungsbedarf

im Hinblick auf das Querkraft- und Durchstanztragverhalten bei dünnen Platten, die ausschließlich

mit Fasern bewehrt sind.

Die sehr hohe Druckfestigkeit ermöglicht es, umschnürte Druckglieder mit sehr hoher Tragkapazität

aus UHPC herzustellen. Erste Ergebnisse in [84] für ungefaserten UHPC bei einer

Umschnürung durch Stahlrohre zeigten eine deutliche Steigerung der Tragfähigkeit. Es wurde

gezeigt, dass hochbelastete Druckglieder mit geringer Exzentrizität deutlich kostengünstiger

als die heute üblichen Lösungen sind. Zur Aufstellung eines Rechenmodells besteht noch Klärungsbedarf

bezüglich des Zusammenhanges zwischen Querdehnzahl und Umschnürung

sowie des Zusammenwirkens zwischen Stahlrohr und Beton. Weiterer Forschungsbedarf besteht

hier insbesondere in Bezug auf die Verbundeigenschaften und Rissbildung im Beton.

Hieran schließen die Thematik der Tragfähigkeit bei Teilflächenpressung sowie der Themenkomplex

mehraxiale Beanspruchung an. Letzterer betrifft beispielsweise den Einfluss einer

gleichzeitig wirkenden Querzugbeanspruchung auf die Druckfestigkeit ultra-hochfesten Stahlbetons.

Ein erster, an der Universität Kassel durchgeführter Tastversuch lässt hier auf eine

signifikantere Abminderung als bei normalfestem Beton schließen.

Bei ausschließlich mit Fasern bewehrten Biegetraggliedern ist die Tragfähigkeit durch die

(Biege-)Zugfestigkeit begrenzt. Eine größere Ausnutzung der Druckfestigkeit ultrahochfester

Betone kann dabei durch den Einsatz von Stabstahlbewehrung erreicht werden. Wie bereits

an normalfesten und hochfesten Betonen untersucht wurde, hat eine Kombination von Fasern

und Stabstahlbewehrung Auswirkungen auf das Trag- und Verformungsverhalten sowohl

im Gebrauchslastbereich als auch im Grenzzustand der Tragfähigkeit. Einerseits ist hier

die Betrachtung diskreter Risse aus theoretischer Sicht erforderlich (z. B. Begrenzung der

Rissbreite), andererseits müssen ingenieurmäßige Bemessungsmodelle auf der Basis eines

verschmierten Rissmodells erarbeitet werden, um den versteifenden Einfluss der Fasern gegenüber

ungefaserten Bauteilen zu beschreiben (z. B. realitätsnahe Verformungsberechnung).

Insbesondere eine Berücksichtigung der Fasern für den Nachweis im Grenzzustand der Tragfähigkeit

erfordert hier abgesicherte Erkenntnisse bezüglich der rissmechanischen Zusammenhänge.

Modelle für das Zusammenwirken von Fasern und Stabstahlbewehrung sind für

normalfesten und hochfesten Betonen in Form einer Spannungs-Dehnung-Linie des Stahlfaserbetons

im gezogenen Bereich im Merkblatt für Stahlfaserbeton des DBV [80] bzw. im Entwurf

der Richtlinie für Stahlfaserbeton [79] enthalten. Die Spannungs-Dehnungs-Linie wird dort

aus der Last-Verformungskurve von Biegebalken gewonnen. Die Anwendbarkeit bzw. Übertragbarkeit

dieser Vorgehensweise auf UHPC ist zur Zeit noch nicht belegt und bedarf der

Klärung [5,85].

Die hohe Druckfestigkeit von UHPC ermöglicht grundsätzlich eine weitreichende Erweiterung

der Anwendbarkeit vorgespannten Betons. Zum einen werden damit die Grenzspannweiten

durch UHPC stark vergrößert, zum anderen können vorgespannte Konstruktionen mit sehr

hoher Verformungskapazität realisiert werden. Dies kann im Hinblick auf Zwangeinwirkungen

und Katastrophenlast-Szenarien von besonderer Bedeutung sein. Weitere Chancen für die

Spannbetonbauweise ergeben sich aus der hohen Zugfestigkeit und (der hohen Zähigkeit bei

Verwendung von Fasern) von UHPC im Verankerungsbereich von Spanngliedern mit sofortigem

Verbund. Bei weitgehendem oder völligem Verzicht auf übliche Baustahlbewehrung kann

hier ein großes Rationalisierungspotential ausgeschöpft werden. Erste Anwendungen derartiger

vorgespannter Träger aus UHPC wurden z.B. in Frankreich zwar realisiert [83] und ist

nach [87] auch in Deutschland vorgesehen, jedoch ist eine Vielzahl von Fragestellungen im

Hinblick auf die oben genannten Besonderheit von UHPC bei Vorspannung noch nicht systematisch

geklärt, so dass Forschungsbedarf hierzu gesehen wird.

Forschungsbedarf besteht im Bereich der Verbundbauweise bzw. für hybride Konstruktionen

im Hinblick auf das Trag- und Verformungsverhalten von Verbundmitteln zur Verbindung von

Stahlbauteilen mit UHPC. Für hochfesten Beton existieren hierzu bereits Untersuchungen

[82], nicht jedoch für UHPC. Wegen der spröden Eigenschaften von ungefasertem UHPC besteht

hierbei insbesondere Klärungsbedarf bezüglich der Gruppeneinwirkung von Verbundmitteln.

Im Hinblick auf die Anwendung im Brückenbau müssen Erkenntnisse zum Verhalten bei

dynamischen Lasten allgemein und zum Ermüdungswiderstand im besonderen gesammelt

werden.

Angesichts der guten Haftzugfestigkeit von UHPC – Oberflächen können Klebeverbindungen

eine interessante Alternative zu herkömmlichen Verbundmitteln darstellen. Bei einer Brücke

über die Fulda in Kassel [12,14,88] werden tragende UHPC Bauteile untereinander verklebt.

Da aus UHPC besonders dünnwandige Bauteile realisiert werden können, stößt der Einsatz

herkömmlicher Verbundmittel an Grenzen. Gerade bei vorgefertigten Teilen sind konventionelle

Verbundmittel, z.B. Kopfbolzendübel in diesem Zusammenhang weniger vorteilhaft. Auch

aus dieser Sicht verspricht eine auf dem Kleben beruhende Verbindungstechnik mehr Erfolg.

Inwieweit die für normalfesten und hochfesten Beton geeigneten Klebewerkstoffe auch hier

anzuwenden sind, ist noch weitgehend unbekannt. Auch hier ist der Widerstand gegen Ermüdung

zu untersuchen.

2. Wissenschaftliche Ziele

Die vorangehende Literatursichtung zeigt, dass der heutige Wissensstand auf dem Teilgebiet

des mechanischen Verhaltens von ultra-hochfesten Betonen zwar fortgeschritten, aber nach

wie vor lückenhaft ist. Zwar gelingt es, ohne besondere technologische Vorkehrungen Betonfestigkeiten

bis ca. 200 N/mm² zu erreichen, von einer jederzeit gezielten Einstellung einer

angestrebten Festigkeit und eines bestimmten Verformungsverhaltens mit individuellen Ausgangsstoffen

auf der Basis des Verständnisses der maßgebenden stofflichen und betontechnologischen

Zusammenhänge kann jedoch noch keine Rede sein. Zudem fehlen auf verschiedenen

Teilgebieten des mechanischen Verhaltens dieser Betone Ergebnisse systematischer

Untersuchungen sowie hierauf aufbauende Materialgesetze. Sie bilden jedoch die unerlässliche

Voraussetzung für Herleitung von Bemessungsverfahren und der Verwendung ultrahochfester

Betone in der Praxis.

Vor diesem Hintergrund besteht ein wesentliches Teilziel des Schwerpunktprogrammes darin,

zunächst eine abgesicherte, wissenschaftlich fundierte Datengrundlage zu schaffen. Eindimensionale

Verformungs- und Bruchprozesse stehen zunächst im Mittelpunkt, bedürfen jedoch

der Ergänzung durch gezielt auf die Belange der Praxis abgestellte mehraxiale Untersuchungen.

Um dem gestellten Anspruch zu genügen, dürfen die Materialkennwerte keinesfalls

isoliert gewonnen werden, also ohne Einbettung in ein werkstoffwissenschaftliches Gesamtkonzept

und entsprechende Grundlagenuntersuchungen, die auf die Erklärung der beobachteten

Prozesse und Eigenschaften sowie deren modellhafte Beschreibung abzielen. Dem jeweiligen

Forschungsansatz muss daher zwingend ein Modellansatz zugrunde liegen, so dass die

experimentellen Ergebnisse zu verwertbaren Materialgesetzen führen. Auf diesem Weg bilden

theoretisch numerische Konzepte wichtige Werkzeuge, die jedoch selbst nicht Gegenstand

der von der DFG im Schwerpunktprogramm zu fördernden Forschung sind.

Ein wesentliches Ziel muss es deshalb zunächst einmal sein, die grundlegenden strukturellen

Zusammenhänge zu verstehen, die sich aufgrund der besonderen stofflichen Zusammensetzung

des Baustoffs ergeben. Insbesondere geht es dabei um die Gestaltung und den Einfluss

sehr dichter Feinstkornpackungen und der möglicherweise von den bisherigen betontechnologischen

Erfahrungen abweichenden Hydratationsabläufen auf das rheologische Verhalten und

auf das Gefüge, auf die mechanischen Eigenschaften und auf die Dauerhaftigkeit des ultrahochfesten

Betons.

Das gleiche gilt hinsichtlich der Dauerhaftigkeit. Man kann zwar grundsätzlich von einem gegenüber

normalfesten und hochfesten Betonen deutlich verbesserten Widerstand gegenüber

Umwelteinwirkungen ausgehen. Dennoch gibt es eine Reihe von wichtigen Fragen, die vor

einer baupraktischen Anwendung ultrahochfester Betone insbesondere in hoch beanspruchten

Außenbauteilen geklärt werden müssen. Auch hierbei spielt das geänderte, sehr dichte Gefüge

des Betons und sein Einfluss z.B. auf die Diffusionseigenschaften eine Rolle. Besonders

sicherheitsrelevant ist dabei die Frage, ob der erwartete besonders hohe Korrosionswiderstand

des Betons auch bei zugbeanspruchten faserbewehrten Bauteilen angenommen werden

kann.

Ein wesentliches Ziel des Schwerpunktprogrammes muss es deshalb sein, fundierte wissenschaftliche

Erkenntnisse zum Widerstand ultra-hochfester Betone gegenüber den vielfältigen

Umwelteinwirkungen einerseits und zu den im Betoninneren ablaufenden Vorgängen, die zu

einer langfristigen Beeinträchtigung der mechanischen Kennwerte führen können andererseits,

zu gewinnen. Nur auf der Basis solcher Erkenntnisse können Einsatzgrenzen für ultrahochfeste

Betone abgesteckt sowie potenzielle Schädigungsmechanismen durch Materialoptimierung

unterdrückt bzw. ausgeschlossen werden.

Zur Förderung können nur solche Vorhaben gelangen, die einen wissenschaftlichen Erkenntnisgewinn

auf dem Gebiet des stofflichen und des mechanischen Verhaltens aus der Kombination

experimenteller Untersuchungen mit theoretisch-analytischen und/oder werkstoffanalytischen

Untersuchungen erkennen lassen. Rein theoretische Untersuchungen und Entwicklungsarbeiten

fallen nicht in den vorgesehenen Förderrahmen. Untersuchungen an textilbewehrten

ultrahochfesten Betone sollen hier ebenfalls nicht gefördert werden, da zu diesem

Thema an anderer Stelle konzentriert geforscht wird.

Auch hinsichtlich der materialgerechten Konstruktion und Bemessung sollen bevorzugt grundlegende,

stofflich- und verhaltensbedingte Abweichungen von Normal- oder Hochfestem Betonen

geklärt werden. Die Erkenntnisse sollen als wissenschaftliche Grundlage für Bemessungs-

und Konstruktionsregeln dienen. Bauteilversuche sind nur insoweit vorgesehen, als sie

für diese grundlegenden Erkenntnisse erforderlich sind.

Die zu untersuchenden hydraulisch gebundenen Werkstoffe sollen in ihrer Zusammensetzung

auf die Verwendung in der Praxis ausgerichtet sein. Dies schließt unabdingbar die Berücksichtigung

der Wirtschaftlichkeit und Umweltverträglichkeit ein.

3. Arbeitsprogramm

Zunächst sollen im Rahmen des Schwerpunktprogrammes bevorzugt noch offene stoffliche

und herstelltechnische Fragen gelöst werden, die die zielsichere, reproduzierbare Herstellung

von UHPC mit den angestrebten mechanischen und Dauerhaftigkeitseigenschaften sicherstellen.

Die experimentellen Untersuchungen zur stoffgerechten Bemessung und Konstruktion

sollen dann mit wenigen abgestimmten Betonmischungen durchgeführt werden,

um vergleichbare Ergebnisse zu erhalten. Rein theoretisch numerische Konzepte sind

nicht Gegenstand der von der DFG im Rahmen des Schwerpunktprogrammes zu fördernden

Forschung.

3.1 Zur Erweiterung und Absicherung der Kenntnisse über den Einfluss der stofflichen Zusammensetzung

auf die wesentlichen Frisch- und Festbetoneigenschaften und zum zielsicheren

Erreichen vorgegebener Eigenschaften sind schwerpunktmäßig Untersuchungen

erforderlich, um

- experimentell und theoretisch-analytisch angesicherte Modelle und Verfahren zur zielsicheren

Gestaltung optimal dichter, porenarmer Kornpackungen und Gefügestrukturen mit individuellen

Ausgangsstoffen zu schaffen (Expertensystem), ihre reproduzierbare Umsetzung

bei der Herstellung des Betons zu erreichen (Misch- und Herstelltechnik) und Kennwerte für

die hinsichtlich Frisch- und Festbeton materialgerechte Gefügestruktur zu ermitteln

- die bei wärmebehandelten und nicht wärmebehandelten UHPC mit unterschiedlichen Zusatzstoffen,

Zusatzmitteln und Zementen entstehenden Hydratphasen und ihre Beständigkeit

gegen inneren und äußeren chemischen Angriff zu ermitteln. Die Untersuchungen dienen

auch dazu, das optimale Vorgehen bei der Wärmebehandlung festzustellen (s. auch

Dauerhaftigkeit),

- das Zusammenwirken zwischen Zement, Zusatzstoffen und Zusatzmitteln als Grundlage für

die gezielte Auswahl optimal wirksamer Kombinationen im einzelnen Anwendungsfall aufzuklären

sowie um

- den Einfluss und die Möglichkeiten zur gezielten Beeinflussung der Faserverteilung und der

Faserorientierung bei der Herstellung und Verarbeitung zu ermitteln. Ziel ist es, besonders

homogene, wirtschaftliche Betone zu gestalten, die Streuung in den Festigkeits- und Verformungseigenschaften

zu minimieren und die Faserwirkung möglichst vollständig auszunutzen.

3.2 Zur Schließung wesentlicher Kenntnislücken im Bereich des mechanischen Verhaltens

ultra-hochfester Betone stehen mit Blick auf das Arbeitsziel des Schwerpunktprogramms zunächst

folgende Untersuchungen im Vordergrund:

- Einaxiale Untersuchungen zum Festigkeits-, Verformungs- und Bruchverhalten unter statischer

Kurzzeit- und Dauerbelastung sowie unter schwellender und wechselnder Belastung

als Basis für die Herleitung werkstoffwissenschaftlicher Modellgesetze.

- Grundlegende werkstoffwissenschaftliche Untersuchungen zum Verständnis ablaufender

Verformungs- und Bruchprozesse im jungen und im erhärteten ultra-hochfesten Beton, z. B.

mittels bildgebender optischer oder elektromagnetischer Verfahren oder Verfahren der

Strukturanalyse und verwandte Methoden.

Ergänzend zu den einaxialen Versuchen sind gezielt mehraxiale, insbesondere biaxiale Untersuchungen

(Druck-Querzugspannungen bei scheibenartigen Bauteilen) sowie Untersuchungen

zur Teilflächenpressung erwünscht. Untersuchungen zum Brandverhalten sind erst in der

letzten Förderphase des Schwerpunkprogramms vorgesehen.

3.3 Hinsichtlich der Dauerhaftigkeit sind folgende Fragen zu klären:

- Ein wesentliches Gefährdungspotenzial für ultra-hochfeste Betone ist die frühe, oberflächennahe

Mikrorissbildung durch autogenes Schwinden. Neben Untersuchungen zur Unterdrückung

dieser Schadensmechanismen müssen die Auswirkungen auf die nachfolgend

aufgeführten Dauerhaftigkeitsaspekte untersucht werden.

- Bezüglich stahlkorrosionsfördernder Einwirkungen von außen ist das Korrosionsrisiko von

Fasern, die zur Verbesserung der Duktilität zugegeben werden, im Vordergrund der Unersuchungen.

Dabei sind die Beanspruchung der Betone unter Zug –bzw. dynamischer Belastung

sowie die Einflüsse von Rissen (Eigenspannungsrisse sowie lastbedingte Risse

mit geringen Risstiefen) in die Untersuchungen einzubeziehen.

- Das Verhalten bei Frost-Tausalzangriff ist ergänzend zu untersuchen, um nachweisen zu

können, ob auch bei extremen Angriffen sowie ggf. oberflächennahen Mikrorissen eine

ausreichende Beständigkeit sichergestellt ist.

- Bezüglich der chemischen Widerstandsfähigkeit bei Angriff von außen steht die Untersuchung

des Sulfatwiderstandes bei erhöhten Sulfatgehalten im Vordergrund. Dabei stellt

sich auch die Frage nach den erforderlichen Anforderungen an die zu verwendenden Bindemittel

bzw. Bindemittelkombinationen.

- Ein wesentlicher Untersuchungsschwerpunkt ist die „innere Dauerhaftigkeit“, d. h. mögliche

Schädigungsmechanismen bzw. Phasenänderungen, die durch Reaktion der Bestandteile

der ultrahochfesten Betone über längere Zeiträume eintreten können. Fragestellungen

sind hier sekundäre Etttringitbildung / Thaumasitbildung, Alkalireaktionen bei aglommerierten

Silikapartikeln bzw. reaktiven Feinstzuschlägen und Phasenumwandlungsreaktionen

bei hohen Puzzolangehalten. Zu untersuchen wäre auch, ob eine innere Rissbildung Ausgangspunkt

für sekundäre Schädigungsmechanismen darstellen kann.

- Schließlich wäre als übergeordneter Untersuchungsschwerpunkt die Matrixoptimierung

ultra-hochfester Betone bezüglich des Gesamtdauerhaftigkeitsspektrums zu untersuchen.

Der Stand der Forschung hinsichtlich der stoffgerechten Bemessung und Konstruktion

spiegelt sich detailliert in den Vorträgen wider, die anlässlich der Tagungen in Kassel [85] und

in Leipzig [86] im Jahr 2003 sowie zuletzt beim UHPC Symposium 2004 an der Universität

Kassel gehalten wurden. Aus dem Überblick über den Stand der Forschung ist ersichtlich,

dass bisher nur in Teilbereichen ausreichend grundlegende und verallgemeinerbare Erkenntnisse

zur Beschreibung des Bauteilverhaltens und zum Konstruieren mit UHPC vorliegen.

3.4 In Hinblick auf zukünftige Anwendungsfelder von UHPC stehen im Rahmen dieses

Schwerpunktprogramms folgende Fragestellung im Vordergrund des Interesses:

- Untersuchung und Modellbildung für das Tragverhalten von Balken- und plattenförmigen

Bauteilen mit stabförmiger Bewehrung und / oder Faserbewehrung.

- Untersuchung und Modellbildung für das Tragverhalten von gegliederten vorgespannten

bzw. gegliederten hybriden Bauteilen aus UHPC.

- Untersuchung und Modellbildung zur Beschreibung des Verhaltens von UHPC bei

mehraxialer Beanspruchung (z.B. Umschnürungseffekts bei Druckgliedern unter Berücksichtigung

des Querverformungsverhaltens).

- Untersuchung und Modellierung des Verbundverhaltens von Stäben und Litzen in

UHPC mit und ohne Querbewehrung aus Stäben bzw. ohne und mit Faserzusatz sowie

des Zusammenwirkens von stabförmiger Bewehrung und Faserbewehrung.

- Die Verformungskapazität (z.B. Rotationskapazität) von Biegebauteilen aus UHPC ohne

und mit Vorspannung.

- Das Verhalten von Verbundmitteln bei Verbundtragwerken oder hybriden Tragwerken,

besonders das Verhalten geklebter Verbindungen.

- Die Schaffung von Grundlagen für stoffgerechte innovative Konstruktionsformen und

Konstruktionsprinzipien. Dazu gehören auch Hybridbauweisen.

- Schaffung von Grundlagen für die Anwendung von UHPC als Schutzschicht bei Sanierung

bzw. Neubau von Bauwerken mit hohen Dauerhaftigkeitsanforderungen.

Bei den hier angeführten Fragestellungen zur Untersuchung und Modellbildung des Tragverhaltens

von Bauteilen aus UHPC sind neben vorwiegend ruhenden Belastungen auch der Einfluss

dynamisch veränderlicher Belastungen und von Ermüdungsbeanspruchung zu berücksichtigen.

Das umfangreiche, gleichwohl aber fokussierte Arbeitsprogramm und die darin enthaltenen

Teilaspekte verdeutlichen, dass die angestrebten Forschungsziele erreicht werden können,

wenn sie im Rahmen eines Schwerpunktprogrammes eng abgestimmt und koordiniert bearbeitet

werden.

4. Verhältnis zu anderen laufenden Programmen

Untersuchungen zu mechanischen Eigenschaften hydraulisch gebundener Werkstoffe sind

auch Teil der SFB 528 „Textile Bewehrung zur bautechnischen Verstärkung“ in Dresden sowie

SFB 532 „Textilbewehrter Beton – Grundlagen für die Entwicklung einer neuartigen Technologie“

in Aachen. Die dort durchgeführten Forschungsarbeiten konzentrieren sich auf die Wirkung

von textilen Bewehrungen und erstrecken sich auf normal- oder hochfeste Betone mit

einer Druckfestigkeit bis höchstens 100 N/mm2. Eine Überschneidung mit dem Forschungsgegenstand

dieses Schwerpunktprogramms ist damit nicht gegeben. Mit der Dauerhaftigkeit

ebenfalls nur von Normalbeton befasst sich das Schwerpunktprogramm 1122 „Vorhersage des

zeitlichen Verlaufs von physikalisch-technischen Schädigungsprozessen an mineralischen

Werkstoffen“. Hier erscheinen Synergien möglich, z.B. hinsichtlich der wissenschaftlichen

Vorgehensweise und der Verfahren sowie durch eine vergleichende Betrachtung des Verhaltens

von Normal- und ultrahochfestem Beton.

5. Programmausschuss

- Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Schmidt, Institut für Konstruktiven Ingenieurbau, FG Werkstoffe

des Bauwesens, Universität Kassel (Koordinator),

- Prof. Dr.-Ing. Ekkehard Fehling, Institut für Konstruktiven Ingenieurbau, FG Massivbau,

Universität Kassel,

- Prof. Dr.-Ing. Harald Müller, Institut für Massivbau und Baustofftechnologie, Universität

Karlsruhe

- Prof. Dr.-Ing. Peter Schießl, Baustoffinstitut, Technische Universität München,

- Dr.-Ing. Frank Dehn, Juniorprofessur Werkstoffe im Bauwesen, Universität Leipzig/MFPA

Leipzig

6. Vorhandene Mittel und Laufzeit

Das Schwerpunktprogramm ist mit insgesamt 1,5 Mio € pro Jahr dotiert. Die Laufzeit beträgt

insgesamt 6 Jahre. Förderbeginn könnte Juni 2005 sein.

7. Koordination

Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Schmidt

Universität Kassel

Institut für Konstruktiven Ingenieurbau

Fachgebiet Werkstoffe des Bauwesens

Mönchebergstr. 7

34125 Kassel

Tel. 0561-804-2601

Fax 0561-804-2662

E-Mail: baustk@uni-kassel.de

8. Schrifttum

[1] Verein Deutscher Zementwerke: Umweltdaten der deutschen Zementindustrie. Düsseldorf 2001.

[2] Schmidt, M., R. Böing, Rohstoff- und energiesparendes Konstruieren mit Beton. Beton, (1997) H.7,

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DFG-Schwerpunktprogramm

„Nachhaltiges Bauen mit Ultra-Hochfestem Beton zur

Leistungssteigerung, Umweltentlastung und Kostensenkung im Betonbau“

 Administrator : J.Döring

Aktualisiert am : 26.05.06 :