Experimentelle Methodik zur Bestimmung des autogenen Schwindverhaltens von Hochleistungsbetonen

Abstract

Mittlerweile existiert in der Baupraxis eine Vielzahl an Anwendungsfällen, die ohne die Verwendung von hochfesten (HPC) oder ultrahochfesten (UHPC) Betonen nicht realisierbar wären. Für die Bemessung dieser Bauteile werden in der Regel die Druck- und Ermüdungsfestigkeit des Materials benötigt, wohingegen die auftretenden spannungsinduzierenden autogenen Schwindverformungen bislang nicht bzw. nicht ausreichend berücksichtigt werden. Deutlich wird dies u.a. im Bereich der Windener-gie, wo sehr fließfähige Hochleistungsmörtel und -betone sowohl onshore (in Ver-gussfugen) als auch offshore (in Grouted Joints) verwendet werden. Im Grouted Joint kann es in Folge von autogenen Schwindverformungen und aufgrund der Dehnungs-behinderung durch das innenliegende Stahlrohr zu Rissen innerhalb des Grouts kommen. Je nach Art und Umfang der Risse kann es in Kombination mit den dyna-mischen Einwirkungen zur Verminderung der Dauerhaftigkeit und der Tragfähigkeit der Verbindung kommen. Weder für die Bauart (Grouted Joint) noch für das Bauprodukt (Grout) existiert derzeit eine anwendbare Norm, weswegen für den vorliegenden Anwendungsfall immer eine Zustimmung im Einzelfall erforderlich ist. Dazu sehen die zur Verfügung stehenden Regelwerke u.a. [DAfStB06] und [DNV14] jedoch keine Prüfung der autogenen Schwindverformungen vor. Erschwerend kommt hinzu, dass auch für die Messung von autogenen Schwindverformungen bislang lediglich auf ein Prüfverfahren aus den USA [ASTM1698] zurückgegriffen werden kann. Obwohl das Phänomen des autoge-nen Schwindens bereits seit den 30er Jahren Gegenstand der Forschung ist, wurde aufgrund von unterschiedlichen Forschungsansätzen noch kein einheitliches Prüfver-fahren festgelegt. Neben einem geeigneten Messverfahren wird für die Auswertung der gemessenen Verformungen ein Startpunkt der spannungsinduzierenden autoge-nen Schwindverformungen, die sogenannte time zero benötigt. Dabei wird der Zeit-punkt des Übergangs zwischen freien und spannungsinduzierenden Verformungen ermittelt, was bislang an separat hergestellten Probekörpern durchgeführt wird und damit zu einer erheblichen Über- bzw. Unterschätzung der autogenen Schwindver-formungen führen kann. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist daher die realistische Abschätzung von in situ auftretenden spannungsinduzierenden autogenen Schwindverformungen von Hoch-leistungsmörteln und -betonen. Dazu wurden nicht nur die prüftechnischen Einflüsse auf die Verformungsmessung systematisch untersucht, sondern auch die notwendi-gen Verfahren zur Bestimmung der time zero überprüft und weiterentwickelt. Darüber hinaus wurde der Einfluss der Temperatur (quasi-isotherm und nicht-isotherm) zur Abbildung realer Baustellenbedingungen berücksichtigt und die sich daraus erge-benden Auswirkungen auf die Verformungen beschrieben. Zur Ermittlung der Schwindverformungen wurde auf das Schwindschlauch-, das Schwindkegel- und das Schwindrinnenverfahren zurückgegriffen. Durch leichte Modifikationen eignen sich diese Prüfverfahren alle für das Messen des autogenen Schwindens. Für die Über-prüfung der Anwendbarkeit wurden ausgewählte in der Literatur verwendete Verfah-ren zur Bestimmung der time zero verglichen und den Ergebnissen aus zusätzlichen Untersuchungen im dehnungsbehinderten Schwindringverfahren gegenübergestellt. Mit Hilfe der ausgewerteten relativen Verformungsbeschleunigung konnte ein Zeit-punkt identifiziert werden, der eine gute Näherung zum Zeitpunkt der ersten Span-nungsentwicklung im Schwindring darstellt. Die vorgestellte Prüf- und Auswertemethode bietet den Vorteil, dass die für die Aus-wertung der autogenen Schwindverformungen notwendige time zero nicht in einem parallelen Versuch bestimmt werden muss, sondern sich direkt aus den sich einstel-lenden Verformungen bei der Schwindmessung ermitteln lässt. Somit werden Über-tragungsfehler vermieden, die sich aufgrund voneinander abweichender Hydratati-onsverläufe in beiden Prüfaufbauten ergeben können. Die entwickelte Prüf- und Auswertemethode wurde an vier am Markt erhältlichen Hochleistungsmörteln und -betonen sowie an einem ultrahochfesten Feinkornbeton (UHPC) überprüft und bei drei unterschiedlichen Prüftemperaturen (5 °C, 20 °C und 30 °C) angewendet. Unter Berücksichtigung der ermittelten prüftechnischen Einflüsse wurden Prüfgrund-sätze formuliert, die ein fehlerfreies Messen des autogenen Schwindens ermögli-chen. In Kombination mit der hinreichend genauen Übereinstimmung zwischen dem in dieser Arbeit identifizierten Startpunkt und dem Beginn der spannungsinduzieren-den autogenen Verformungen ist eine exakte Auswertung der gemessenen Schwindverformungen möglich. Somit ist es gelungen, ein Prüfverfahren vorzustellen mit dem autogene Schwindverformungen reproduzierbar gemessen werden können und eine Auswertemethode zu präsentieren, mit der eine zielsichere und exakte Be-stimmung der spannungsinduzierenden autogenen Schwindverformungen möglich ist. Diese Arbeit bildet daher die Grundlage für ein normativ zu regelndes Prüfverfahren zur Bestimmung der spannungsinduzierenden autogenen Schwindverformungen von Hochleistungsmörteln und -betonen. Derartige Mörtel und Betone werden u.a. im Be-reich der Windenergie verwendet.