Dauerhaftigkeit von Betonfahr- bahnen aus Betongranulat · 2015. 11. 6. · 2.2 Rezyklierter Beton ... En même temps un essai en grandeur nature concernant la réutilisation du granulat

Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK Département fédéral de l'environnement, des transports, de l'énergie et de la communication DETECDipartimento federale dell'ambiente, dei trasporti, dell'energia e delle comunicazioni DATEC

Bundesamt für Strassen Office fédéral des routes Ufficio federale delle Strade

Dauerhaftigkeit von Betonfahr-bahnen aus Betongranulat

Durabilité de chaussées en béton de granulat de béton

Durability of concrete pavements of recycled concrete

BEVBE, Beratung und Expertisen für Verkehrsflächen in BetonR. Werner, Dipl. Bauing. HTL/STV TFB, Technik und Forschung im Betonbau, Wildegg F. Jacobs, Dr. sc. techn., Dipl.-Geol. BDG/SIA

Forschungsauftrag VSS 2008/404 _OBF auf Antrag des Schweizerischen Verbandes der Strassen- und Verkehrsfachleute (VSS)

Oktober 2011 1370

Der Inhalt dieses Berichtes verpflichtet nur den (die) vom Bundesamt für Strassen beauftragten Autor(en). Dies gilt nicht für das Formular 3 "Projektabschluss", welches die Meinung der Begleitkommission darstellt und deshalb nur diese verpflichtet. Bezug: Schweizerischer Verband der Strassen- und Verkehrsfachleute (VSS)

Le contenu de ce rapport n’engage que l’ (les) auteur(s) mandaté(s) par l’Office fédéral des routes. Cela ne s'ap-plique pas au formulaire 3 "Clôture du projet", qui représente l'avis de la commission de suivi et qui n'engage que cette dernière. Diffusion : Association suisse des professionnels de la route et des transports (VSS)

Il contenuto di questo rapporto impegna solamente l’ (gli) autore(i) designato(i) dall’Ufficio federale delle strade. Ciò non vale per il modulo 3 «conclusione del progetto» che esprime l’opinione della commissione d’accompagnamento e pertanto impegna soltanto questa. Ordinazione: Associazione svizzera dei professionisti della strada e dei trasporti (VSS)

The content of this report engages only the author(s) commissioned by the Federal Roads Office. This does not ap-ply to Form 3 ‘Project Conclusion’ which presents the view of the monitoring committee. Distribution: Swiss Association of Road and Transportation Experts (VSS)

Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK Département fédéral de l'environnement, des transports, de l'énergie et de la communication DETEC Dipartimento federale dell'ambiente, dei trasporti, dell'energia e delle comunicazioni DATEC

Bundesamt für Strassen Office fédéral des routes Ufficio federale delle Strade

Dauerhaftigkeit von Betonfahr-bahnen aus Betongranulat

Durabilité de chaussées en béton de granulat de béton

Durability of concrete pavements of recycled concrete

BEVBE, Beratung und Expertisen für Verkehrsflächen in BetonR. Werner, Dipl. Bauing. HTL/STV TFB, Technik und Forschung im Betonbau, Wildegg F. Jacobs, Dr. sc. techn., Dipl.-Geol. BDG/SIA

Forschungsauftrag VSS 2008/404 _OBF auf Antrag des Schweizerischen Verbandes der Strassen- und Verkehrsfachleute (VSS)

Oktober 2011 1370

1370 | Dauerhaftigkeit von Betonfahrbahnen aus Betongranulat

4 Oktober 2011

Impressum

Forschungsstelle und Projektteam Projektleitung Rolf Werner Mitglieder Dr. Frank Jacobs Federführende Fachkommission Fachkommission 4: Baustoffe

Begleitkommission Präsident HR. Eberhard Mitglieder Dr. M. Hugener M. Kronig HP. Beyeler B. Suter D. Kästli U. Dahinden

Antragsteller Schweizerischer Verband der Strassen- und Verkehrsfachleute (VSS)

Bezugsquelle Das Dokument kann kostenlos von http://partnershop.vss.ch heruntergeladen werden.


Oktober 2011 5

InhaltsverzeichnisImpressum ......................................................................................................................... 4 Forschungsstelle und Projektteam ................................................................................. 4 Begleitkommission ........................................................................................................... 4 Antragsteller ...................................................................................................................... 4 Bezugsquelle ..................................................................................................................... 4 Zusammenfassung ........................................................................................................... 7 Résumé .............................................................................................................................. 8 Summary ............................................................................................................................ 9

1 Einleitung ......................................................................................................................... 11 1.1 Allgemeines ..................................................................................................................... 11 1.2 Ziel des Projektes ............................................................................................................ 12 2 Vorgehen .......................................................................................................................... 13 2.1 Allgemein ......................................................................................................................... 13 2.2 Rezyklierter Beton ........................................................................................................... 16 3 Ergebnisse ....................................................................................................................... 17 3.1 Betoneinbau 1990/91 ...................................................................................................... 17 3.2 Griffigkeit ......................................................................................................................... 19 3.3 Untersuchungen vor Ort ................................................................................................. 20 3.4 Bohrkernuntersuchungen .............................................................................................. 25 3.4.1 Allgemein ........................................................................................................................... 25 3.4.2 Druckfestigkeit ................................................................................................................... 25 3.4.3 Wasserleitfähigkeit und Karbonatisierungstiefe ................................................................ 28 3.4.4 Chloridgehalt und Chloridmigrationskoeffizient ................................................................. 28 3.4.5 Mikroskopie ....................................................................................................................... 30 4 Beurteilung ...................................................................................................................... 33 4.1 Heutiger Zustand ............................................................................................................. 33 4.2 Zukünftige Zustandsentwicklung .................................................................................. 34 4.3 Heutige Anforderungen .................................................................................................. 34 5 Folgerungen und Empfehlungen ................................................................................... 37 5.1 Recyclingbeton auf der N13 ........................................................................................... 37 5.2 Verwendung von Recyclingbeton in Betondecken ..................................................... 38

Anhänge ........................................................................................................................... 39 Abkürzungen ................................................................................................................... 79 Literaturverzeichnis ........................................................................................................ 80 Projektabschluss ............................................................................................................ 81 Verzeichnis der Berichte der Forschung im Strassenwesen ..................................... 84


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Zusammenfassung

1990/91 wurde die A13 zwischen Oberriet und Haag im Sankt Galler Rheintal von einer Autostrasse zur Autobahn umgebaut. Dabei wurde die Autostrasse aus dem Jahre 1967 grundlegend erneuert. Der anfallende Betonbelag wurde gebrochen, aufbereitet und für die Zementstabilisierung des Untergrundes verwendet. Gleichzeitig wurde auch ein Grossver-such gestartet, dieses Betongranulat für die neue Fahrbahndecke der A13 zu verwenden. Es wurden Recyclingbetone mit unterschiedlichen Anteilen an Betongranulat hergestellt, eingebaut und deren Verhalten mit dem Referenzbeton (mit ausschliesslich Primärmateri-al) verglichen. Bei diesen Recyclingbetonen bestand die Gesteinskörnung aus 66 – 100 % Betongranulat. Nach nun rund 20jähriger Nutzung wurden die damals eingebauten Recyc-lingbetone und der Referenzbeton umfassend untersucht (visuell, mikroskopisch, Luftper-meabilität, Karbonatisierungstiefe, Chloridgehalt, Wasserleitfähigkeit, Chloridwiderstand, Druckfestigkeit). Ziel der Untersuchungen war die Abklärung der Dauerhaftigkeit von Re-cyclingbeton unter starken Belastungen (Frost, Tausalz, Verkehr). Hierzu lagen bisher fast keine Erkenntnisse vor. Da zukünftig Betongranulat von alten Betondecken immer wieder anfallen wird, wäre die Wiederverwendung dieser alten Betonbeläge für neue Betondecken eine ökologisch und ökonomisch äusserst sinnvolle Lösung. Die Untersuchungen zeigten, dass alle Betone mit Betongranulat noch in einem guten bis sehr guten Zustand waren. Der Recylingbeton 1a/1b, bei dem die Gesteinskörnung nur aus einem Korngemisch und nicht aus einzelnen Korngruppen zusammengesetzt war, wies leicht schlechtere Eigen-schaften als die anderen Recyclingbetone auf, deren Gesteinskörnung aus verschiedenen Korngruppen (0/4, 4/8, 8/16, 16/32) bestanden. Im Vergleich zu den Recyclingbetonen schnitt der Referenzbeton leicht besser ab. Als Ursache für die (geringen) Schädigungen werden beim Recyclingbeton 1a/1b Schwierigkeiten bei der damaligen Aufbereitung der Recyclinggesteinskörnung als auch dem Einbau gesehen. Bei allen Betonen ist eine be-ginnende Alkaliaggregatreaktion festzustellen. Es zeigte sich kein Einfluss auf die Beton-qualität, ob der Recyclingbeton mit der Korngruppe 0/4 aus Betongranulat oder natürlicher Gesteinskörnung hergestellt wurde.

Alle untersuchten Betondecken mit Betongranulat sind weiterhin nutzbar und werden ihre geschätzte Gebrauchsdauer von 40 - 50 Jahre erreichen, wenngleich die Schädigungen zunehmen werden.

Die Untersuchungen zeigen zudem, dass auch Beton mit 100 % Betongranulat als Ge-steinskörnung für Fahrbahndecken verwendet werden konnte. Allerdings gilt dies nur für das verwendete Betongranulat. Wenn Beton zu Betongranulat aufbereitet werden sollte, ist der Beton auf allfällige Schädigungen wie z.B. AAR und Schadstoffe wie z.B. Tausalze zu untersuchen. Betondecken von Strassen- und Flugverkehrsflächen sind grundsätzlich be-sonders gut zur Herstellung von Betongranulat geeignet, da diese in der Regel eine hohe Betonqualität aufweisen und homogen sind.

Es wird empfohlen, zukünftig Betondecken auch zweilagig einzubauen; der Unterbeton mit Betongranulat, der Oberbeton mit natürlicher Gesteinskörnung. Damit kann gezielter auf die Anforderungen an die Belagsoberfläche bezüglich Lärmminderung eingegangen wer-den.


8 Oktober 2011

Résumé

En 1990/91 l’A13 entre Oberriet et Haag dans la vallée du Rhin de St. Gall fut transformée d’une route en une autoroute. A cette fin la route datant de l’an 1967 fut renouvelée à fond. Le revêtement en béton fut concassé, traité et utilisé pour la stabilisation en ciment du sol. En même temps un essai en grandeur nature concernant la réutilisation du granulat de bé-ton pour le nouveau revêtement de la chaussée fut entamé. Des bétons avec différentes proportions de granulat de béton furent produits, mis en œuvre et leurs comportements comparés avec le béton de référence (contenant que du matériau primaire). Les granulats de ces bétons de recyclage contenaient entre 66 et 100% de granulat de béton. Après maintenant environ 20 ans d’utilisation les bétons alors mis en œuvre ont été analysés de manière détaillée (visuellement, au microscope, perméabilité à l’air, profondeur de carbo-natation, teneur en chlorures, perméabilité à l’eau, résistance aux chlorures, résistance à la compression). Le but de ces analyses était d’évaluer la durabilité du béton de recyclage sous fortes sollicitations (gel, sel de déglaçage, trafic). Jusqu’à présent il n’y a pratique-ment pas de connaissances à ce sujet. Etant donné qu’à l’avenir il y aura de plus en plus de granulats de béton des vieux revêtements de bétons le recyclage de ce matériau de démolition dans le cadre de la construction de nouveaux revêtements serait une solution écologique et économique très judicieuse. Les analyses ont montré que tous les bétons contenant du granulat de béton étaient dans un bon ou très bon état. Le béton de recyclage (1a/1b) dont le granulat n’était constitué que d’une grave et non pas de classes granulaires séparées présentait des propriétés lé-gèrement moins bonnes que les autres bétons de recyclage dont le granulat était composé de plusieurs classes granulaires (0/4, 4/8, 8/16, 16/32). Comparé aux bétons de recyclage le béton de référence atteignait des performances légèrement meilleures. Il est probable que les difficultés lors du traitement du granulat de béton ainsi que lors de la mise en œu-vre constituent la cause des (faibles) dégradations du béton de recyclage 1a/1b Tous les bétons montraient le début d’une alcali-réaction. Aucune influence sur la qualité du béton n’a été observée, indépendamment du fait si le béton de recyclage avait été fabriqué avec un sable composé de granulat de béton ou de granulat naturel. Tous les revêtements en bétons avec du granulat de béton investigués peuvent continuer d’être utilisés et vont atteindre leur durée de vie prévue de 40-50 ans même si les dégrada-tions augmenteront. Les analyses montrent aussi que du béton contenant 100% de granulat de béton a pu être utilisé pour le nouveau revêtement de la chaussée. Cependant, ceci n’est valable que pour le granulat de béton utilisé dans le cas présent. Si du béton de démolition devait être trans-formé en granulat, le béton en question devrait être analysé par rapport à des phénomènes de dégradation éventuels comme l’alcali-réaction ou la présence de polluants, par exemple du sel de déglaçage. Des revêtements en béton de chaussées ou de surfaces de trafic aé-rien sont en principe particulièrement appropriés pour la fabrication de granulat de béton puisqu’ils ont généralement une très bonne qualité de béton et sont homogènes. Il est conseillé à l’avenir de mettre en œuvre des revêtements en béton en deux couches ; le béton de fond avec du granulat de béton et le béton de la couche d’usure avec du gra-nulat naturel. Ainsi il est possible de répondre de manière plus ciblée aux exigences à la surface du revêtement en matière d’absorption de bruit.


Oktober 2011 9

Summary

In 1990/91 the A13 between Oberriet and Haag in the Rhine Valley of St. Gall was con-verted from a motorway to an autobahn. Thereby, the motorway built in 1967 was com-pletely renewed. The former concrete pavement was crushed, processed and used for the cement stabilisation of the underground. At the same time a large scale experiment was started to use the processed concrete aggregate for the new road pavement of the A13. Several types of concrete with different amounts of recycled concrete aggregate were manufactured, and their behaviour compared with the reference concrete (containing only aggregate of natural origin). In these recycled concrete the amount of recycled aggregate varied between 66 to 100 % by mass. After 20 years of use the recycled concrete and the reference concrete were investigated in detail (visually, under the microscope, permeability to air, carbonatation depth, chloride content, water conductivity, resistance to chloride mi-gration, compressive strength). The goal of these analyses was the evaluation of the dura-bility of recycled concrete in a severe environment (freezing, de-icing salt, traffic). For such a harsh environment, so far hardly any experience was available for recycled concrete. Since concrete from old pavements will be available in increasing amounts in the future, the recycling of these concrete pavements and the manufacture of new ones would be an ecologically and economically utmost reasonable solution. The analyses showed that all types of concrete with recycled concrete aggregate were still in a good or very good state. The recycled concrete 1a/1b which’s aggregate consisted of all-in aggregate and not composed of separate size fractions showed slightly worser prop-erties than the other types of recycled concrete that had aggregate made from different size fractions (0/4, 4/8, 8/16, 16/32). Compared to all recycled concrete, the reference con-crete performed slightly better. The (slight) damages of the recycled concrete 1a/1b were caused by difficulties during the placing and compacting. All types of concretes showed a beginning alkali-silica-reaction. There was no influence on the quality of concrete whether the recycled concrete consisted of recyled or natural aggregate in the fraction 0/4. All investigated recycled concrete pavements made with concrete aggregate can be used further and will reach their estimated service life of 40 - 50 years even though the damages will increase. The investigations showed furthermore that recycled concrete consisting of 100 % recycled aggregate can also be used for the manufacture of new concrete pavements. However, this is only valid for the aggregate used in this case. If concrete should be processed to concrete aggregate, the concrete should be tested for possible damages like e.g. ASR and harmful substances like de-icing salt. Concrete pavements from roads and aerial traffic sites are basically especially appropriate for the manufacture of concrete aggregate as they generally have a high quality of concrete and are homogeneous. It is recommended to build concrete pavements in the future in double-ply; the lower con-crete layer consisting of recycled concrete aggregate, the upper concrete layer of natural aggregate. This allows better to address the requirements of pavements in terms of noise reduction in a more detailed way.

10 Oktober 2011


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1 Einleitung

1.1 Allgemeines Zukünftig wird der Anfall an rückgebautem Beton stark zunehmen. In Abbildung 1 ist die Beton-produktion im Laufe der Jahrzehnte dargestellt. Bei einer angenommenen Nutzungsdauer von 60 Jahren, kann die Kurve um 60 Jahre verschoben werden, um abschätzen zu können, wann un-gefähr wieviel Beton zurückgebaut werden wird. Es ist ersichtlich, dass zukünftig mit einem stark zunehmenden Anfall an reziklierbaren Beton zu rechnen ist. Somit stellt sich aus dieser Betrach-tung die Frage, was mit diesen Mengen an Beton geschehen soll. Folgende Möglichkeiten kom-men grundsätzlich in Betracht: Deponierung Aufbereitung zu Granulat und Einsatz in loser Form Aufbereitung zu Granulat und Einsatz in gebundener Form beispielsweise als Magerbeton

oder Konstruktionsbeton

Die Verwendung des rückgebauten Betons als Granulat in loser oder gebundener Form wurde in der Schweiz ab etwa den 80er Jahren des letzten Jahrhunderts vermehrt untersucht und in der Praxis durchgeführt (Hoffmann & Jacobs 2007).

Abbildung 1: Hergestellte Betonmengen, hochgerechnet aufgrund der Zementproduktion, und Anfall an rückgebauten Beton bei einer angenommenen Gebrauchsdauer von 60 Jahren

Die Untersuchung über die Verwendung von Recyclingbeton in Fahrbahndecken auf der A13 im St. Galler Rheintal wurde im VSS-Bericht 326 (Wilk, Tsohos, Werner 1994) publiziert. Diese wie auch andere Untersuchungen zu Recyclingbeton betrafen vor allem den Einbau und die mecha-nischen Eigenschaften. Die Dauerhaftigkeit von Recyclingbeton wurde bisher nicht oder nur am Rande betrachtet (Hofmann & Jacobs 2007), obwohl in den letzten Jahrzehnten die Nutzungs-dauer vermehrt von der Dauerhaftigkeit und weniger den mechanischen Eigenschaften bestimmt wurde. Die Fahrbahndecken aus Recyclingbeton auf der A13, die seit 20 Jahren unter Betrieb stehen, sind gut geeignet, um die Aspekte der Dauerhaftigkeit von Recyclingbeton unter har-schen Bedingungen zu untersuchen.

02468

101214161820

1900

1910

1920

1930

1940

1950

1960

1970

1980

1990

2000

2010

2020

2030

2040

2050

Bet

onvo

lum

en [M

io. m

³]

Jahr [-]

heute aus Hochbau

BetonherstellungBetonrückbau

1370 | Dauerhaftigkeit von Betondecken aus Betongranulat

12 Oktober 2011

1.2 Ziel des Projektes Sammeln von Langzeiterfahrungen für Betondecken mit Betongranulat. Überprüfung der

Dauerhaftigkeit solcher Betondecken. Vergleich der Eigenschaften von Recyclingbetondecken nach über 15 Jahren unter Verkehr mit Beton aus natürlichen Gesteinskörnungen sowie vier verschiedener Rezepturen mit Betongranulat untereinander und gegenüber den Eigenschaf-ten, die während des Baus im Jahre 1990/91 ermittelt wurden.

Anhand der Resultate Überprüfung und evtl. Vorschläge zur Anpassung der Recycling-Norm SN 670 143.


Oktober 2011 13

2 Vorgehen

2.1 Allgemein Die Angaben von der Herstellung und die Ergebnisse der Prüfung der Betonfahrbahnen in den Jahren 1990 und 1991 konnten Wilk et al. entnommen werden. Zwischen km 15.7 und 16.2 wurde 1990 in Fahrtrichtung St. Gallen 260 m‘ bzw. 2820 m2 und 1991 in Fahrtrichtung Chur 300 m‘ bzw. 2400 m2 Recyclingbeton beim Vollausbau der A13 eingebaut (Abbildung 2). Die Gesteinskörnung für den Recyclingbeton wurde durch Aufbereitung des über 20jährigen Betonbelags der damaligen Betonstrasse A13 gewonnen. Informationen zur Zusammensetzung und den Eigenschaften der 1990/91 eingebauten, unbewehrten Recyclingbetonfahrbahndecken sind in Tabelle 1 angegebenen.

Tabelle 1: Charakterisierung der Betonrezepturen und Bohrkernentnahmen

Rezept 1a/1b 1c 2a 2b Referenz

Anteil rezyklierte Gesteins- körnung

100 % 100 % 66 % 87 % 0 %

Korngruppen aus rezyklierter Gesteins-körnung

0/32 0/4, 4/8,

8/16, 16/32

4/8, 8/16, 16/32

60 % in 0/4

4/8, 8/16, 16/32

-

Korngruppen aus natürlicher Gesteins-körnung

- -

0/4 Rund-, Brech-sand

40 % in 0/4 0/4, 4/8, 8/16, 16/32

Zusatzmittel, -stoffe

verschie-dene Be-tonverflüs-siger/ Fliessmittel bei Rezept 1a und 1b

andere Zusatzmittel und/oder Zusatzstoffe als bei Re-zept 1a/1b

Einbaujahr 1990 1991 1990 1991 1990 1991 Fahrbahn-richtung Chur

St. Gallen Chur St. Gallen Chur

St. Gallen

Platten-nummer

1a: 3897 – 3909 1b: 3890 - 3896

5578 - 5608

3860 - 3889

5546 - 5577

3910/12* - 3930 … - 5545

Bohrkerne entnommen aus Platten-nummer

1a: 3897/98, 3902, 3907, 3909

5549, 5566, 5572

3864, 3874, 3880

5582, 5589, 5600

5540, 5541, 5542

* Übergang fliessend


14 Oktober 2011

Pro zu untersuchendem Beton wurden 12 Bohrkerne mit einem Durchmesser von 50 mm und einer Länge von etwa 120 mm gezogen. Um die Schädigung der Platten zu minimieren, wurde darauf geachtet, dass in den ausgewählten Platten bisher keine Bohrkerne entnom-men wurden und der Abstand der Bohrlöcher vom Plattenrand mindestens 1.5 m betrug (Bohrlöcher nicht in Fahrspur). Es wird nur der Beton der Normalspur (nicht Überholspur) beprobt, da die Normalspur vom Verkehr stärker belastet wird. Die Bohrkerne wurden am 23. und 24.6.2009 entnommen. An jedem der beprobten Betone (1a, 1c, 2a, 2b, Referenz) wurde Folgendes untersucht: Visuelle Zustandsaufnahme vor Ort Luftpermeabilität nach SIA 262/1 vor Ort Wasserleitfähigkeit nach SIA 262/1: 5 Bohrkerne Druckfestigkeit nach SN EN 12390-3: 5 Bohrkerne Dünnschliffe für mikroskopische Untersuchung: 3 Bohrkerne Chloridgehalte nach SN EN 14629, je 5 Tiefenstufen: 4 Bohrkerne Karbonatisierungstiefen nach SN EN 14630: 4 Bohrkerne (gleiche Bohrkerne wie für

Chloridgehalte) Chloridwiderstand nach SIA 262/1: 5 Bohrkerne Feld 1b wurde nicht untersucht, da dieses bis auf das Zusatzmittel identisch mit Feld 1a ist.


Oktober 2011 15

Abbildung 2: La-ge des unter-suchten Auto-bahnabschnittes; der untersuchte Autobahnab-schnitt liegt etwa 1 km nördlich der Autobahnausfahrt Oberriet


16 Oktober 2011

2.2 Rezyklierter Beton Zwischen Juni und Juli 1967 wurde der Abschnitt Oberriet-Haag der einspurigen National-strasse A13 in zweilagiger Bauweise (Unter-, Oberbeton) erstellt. Zu der damaligen Beton-herstellung liegen noch Ergebnisse vor (Tabelle 2).

Tabelle 2: Zusammensetzung und Eigenschaften des 1967 hergestellten Betons

Unterbeton Oberbeton Zement 250 kg/m3 CEM I 350 kg/m3 CEM I

Zementwerk Untervaz und Unterterzen Gesteinskörnung 20 % 0/4 Natursand

20 % 4/8 Rundkies 20 % 8/16 Rundkies 40 % 16/45 Rundkies

25 % 0/4 Natursand 11 % 3/11 Grubensplitt 11 % 3/6 Hartsplitt 11 % 6/10 Hartsplitt 11 % 10/16 Hartsplitt 31 % 16/30 Hartsplitt

Kieswerk Saxerriet Natursand, Grubensplitt: Saxerriet Hartsplitt: Basaltstein AG Buchs

Zusatzmittel - 350 g LP Sika Oel oder 200 / 220 / 400 / 500 g Sika Air**

w/z-Wert gemäss Darren 0,40-0,45 0,40-0,45 Luftporen ja, nicht gemessen ja, nicht gemessen

Verdichtungsmass nicht gemessen nicht gemessen 28 Tage Druckfestigkeit* Mittel-

wert ± Standardabweichung 42.0 ± 4.1 N/mm2 49.0 ± 10.5 N/mm2

28 Tage Biegezugfestigkeit* Mittelwert ± Standardabwei-

chung 6.7 ± 0.7 N/mm2 7.0 ± 0.6 N/mm2

Frostwiderstand Nicht bestimmt Kein Abfall des E-Moduls nach bis zu 200 Frost-Tau-Zyklen

* gemessen an (Hälften von) Prismen 12 x 12 x 36 cm3, die an 6 (Unterbeton) bzw. 7 (Oberbeton) verschiedenen Tagen hergestellt wurden ** Dosierung je nach Herstelltag


Oktober 2011 17

3 Ergebnisse

3.1 Betoneinbau 1990/91 Untersuchungen des 1967 eingebauten Altbetons ergaben Chloridgehalte von 0.01 M.-%1, was einem Chloridgehalt, bezogen auf den Zementgehalt, von unter 0.1 M.-% entspricht. Der alte Betonbelag wurde in einer stationären Prallmühle gebrochen (Wilk et al.). Danach wurde die Gesteinskörnung als Gemisch belassen (Rezepte 1a, 1b) bzw. in vier Korngrup-pen (0/4, 4/8, 8/16, 16/32) mit einer stationären Siebanlage aufbereitet. Vor der Verwendung wurde die aufbereitete Recyclinggesteinskörnung 72 Stunden mit Wasser berieselt. Der Be-ton wurde in einem Doppelwellen-Zwangsmischer mit einer Kapazität von 1.67 m3 vor Ort hergestellt und mit einem konventionellen Schieneneinbauzug eingebaut. Der Belagseinbau erfolgt zweischichtig frisch in frisch, wobei für den Ober- und Unterbeton dieselbe Betonre-zeptur verwendet wurde, da nicht ausreichende Silokapazitäten für verschiedene Rezeptu-ren des Ober- und Unterbetons vorhanden waren. Nach dem Einbau wurde ein Nachbe-handlungsmittel aufgesprüht und noch zusätzlich während 10 Tagen mit Wasser benetzt. Mit jeder Betonsorte wurde eine Tagesetappe eingebaut. Die Fahrbahnplatten wiesen eine Län-ge von 5 m, eine Breite von 4 m und eine Dicke von 0.21 m auf. Zum Betoneinbau enthält der Bericht von Wilk et al. die in Tabelle 3 aufgeführten Informationen. Beim Einbau der Etappen 1a und 1b wurde ein Korngemisch 0/32 verwendet, da vorgängige Untersuchungen zeigten, dass sich durch die Aufbereitung des Altbetons eine brauchbare Sieblinie der Gesteinskörnung ergibt. Beim Einbau zeigten sich jedoch erhebliche Schwie-rigkeiten in der Form, dass die Konsistenz stark schwankte. In den zur Verfügung stehenden Prüfberichten zeigten sich diese Schwankungen in der Konsistenz nicht, jedoch beim w/z-Wert, der z.B. in Feld 1a zwischen 0.39 und 0.56 variierte (Tabelle 3). Diese Schwankungen wurden vor allem auf Entmischungen bei der Lagerung und dem Umschlag der Recycling-gesteinskörnung zurückgeführt. Tabelle 3 enthält Angaben zur Zusammensetzung und den Eigenschaften der eingebauten Betone. Die in der Tabelle 3 angegebenen w/z-Werte beziehen sich auf den gesamten Was-sergehalt. Nach Abzug der Gesteinsfeuchte sollte der w/z-Wert etwa 0.05 niedriger gelegen haben, was einer Kernfeuchte der Gesteinskörnung von ca. 2 % entsprechen würde. Die Be-tone erfüllten die damaligen Anforderungen an die Griffigkeit und an die Biegezugfestigkeit und die Druckfestigkeit mit Ausnahme von Rezept 1a.

1 Es ist nicht angegeben, ob es sich um den wasser- oder säurelöslichen Chloridgehalt handelt.


18 Oktober 2011

Tabelle 3: Informationen zum Betoneinbau der verschiedenen Abschnitte

Abschnitt 1a 1b 2a 1c 2b Referenz Datum 30.8.90 29.8.90 28.8.90 23.5.91 22.5.91 1989 - 91 Fahrbahn Richtung Chur St. Gallen Beide Platten

3897-3909 3890-3896 3860-3889 5546-5577

5578-5608

3910/12-3930

… -5545 Zementgehalt [kg/m3] 375 350 Gesteinskörnung Nicht in Fraktionen aufbereitet In Fraktionen aufbereitet Anteil Betongranulat

100 % 100 %

66 % (0/4 Pri-

mär-sand)

100 %

87 % (13 %

Primär-sand)

0 %

Luftporenbildner [M.-% von CEM] 0.7 % Fro V5

0.7 – 0.9 Fro V5 0.94 – 1.3 % Fro V5 -

Verflüssiger Art [M.-% von CEM]

Plastiment FN

Verflüssiger in Sikacrete enthalten

ca. 0.7 % Sikament 10 -

Silikastaub [M.-% von CEM]

- Sikacrete PP1 4.0 Sikacrete PP1 2.4 Sikafume HR 4.75 -

Luftgehalt [Vol.-%] 4.5 - 6.7 3.0 – 6.4 5.4 – 7.0 5.57 4.2 - 5.0 4.8 Verdichtungsmass [-] 1.33 – 1.36 1.29 – 1.42 1.29 – 1.38

1.14 – 1.26

1.21 – 1.32 1.34

w/z-Wert gemäss Darren [-] 0.39 – 0.56 0.51 – 0.58

0.39 – 0.43

0.51 – 0.53

0.46 – 0.49 0.41

Rohdichte [kg/m3] 2250 - 2420 2250 - 2380 2290 - 2380 2270 - 2310

2300 - 2330 2370

Lufttemperatur [°C] ca. 30 ca. 25 Bemerkungen z.T. Einbauprobleme, da Kon-

sistenz stark variierte (Unter-schiede in Wassergehalt und

Kornverteilung)

Beton gut einbaubar -

Frost-Tausalzbeständig-keit, Merthode D-R, BE I

- mittel hoch -

Griffigkeit SRT-Pendel 1990/91 77 74 78 73 76 78

Mikroskopische Ge-fügebeurteilung 1993

-

Leicht gestör-tes Gefüge, diverse feine

Risse

Gute Qualität,

keine (feinen )

Risse

Gute Qualität,

sehr wenige feine Risse

Leicht gestörtes Gefüge,

feine Risse, vertikal

zur Ober-fläche

-

Gute Frost-Tausalzbeständigkeit


Oktober 2011 19

3.2 Griffigkeit In Abbildung 3 sind die Ergebnisse der neuesten Griffigkeitsmessungen dargestellt. Die Fel-der mit Recyclingbeton befinden sich zwischen 1723 und 1726 (km 172.3 – 172.6). Der Be-reich kleiner 1723 besteht aus Beton mit natürlicher Gesteinskörnung, der Bereich grösser 1726 besteht aus Asphalt. Zwischen den Recyclingbetonfeldern und dem Abschnitt aus Be-ton mit natürlicher Gesteinskörnung zeigt sich kein Unterschied in der Griffigkeit.

Abbildung 3: Ergebnisse der Griffigkeitsmessungen 2009; vom ASTRA zur Verfügung ge-stellt


20 Oktober 2011

3.3 Untersuchungen vor Ort Vor Ort wurden eine visuelle Zustandsaufnahme (Abbildung 4) vorgenommen, die Luftper-meabilität nach SIA 262/1 (Abbildung 7), die Betonfeuchte (Impedanzmethode) und der spe-zifische elektrische Widerstand gemessen und Bohrkerne gezogen (Abbildung 8, Abbildung 9). Nachfolgend sind die Ergebnisse dargestellt. Fahrbahn Richtung St. Gallen (Einbau 1991, untersucht bzw. beprobt am 23.6.2009) Regen Lufttemperatur: 11 – 14 °C

Felder 1c, 2b, Referenz:

o Engmaschiges Rissnetz mit Abständen von etwa 5 cm; Rissweiten zumeist < 0.2 mm, Risse verlaufen zumeist nicht orientiert; einzelne Risse verlaufen z.T. bis ca. 0.5 m gerade in Fahrrichtung Platte 5529: In Überholspur ist ein Riss am Eck

o Kein klarer Unterschied zum Rissbild zwischen den Feldern Referenz, 2b und 1c o Zementhaut fehlt teilweise (feine Gesteinskörnung sichtbar) o Fugen: vor allem in Feld 1c: häufig fehlende Fugenmasse und Fugenkantenausbrüche o Im Vergleich zu den Referenzabschnitten dunkler und es fehlt eher weniger Zement-

haut

Fahrbahn Richtung Chur (Einbau 1990, untersucht bzw. beprobt am 24.6.2009) Trocken, Sonnenschein Lufttemperatur: 16 – 21 °C

Rissmuster und Rissverlauf analog zur Fahrbahn Richtung St. Gallen Zementhaut fehlt teilweise, analog zur Fahrbahn Richtung St. Gallen

Referenzfeld:

o Feldbeginn unklar; eventuell bei Platte 3913, da Farbunterschied zu sehen o ab Platte 3920: leicht weniger bzw. feinere Risse

Feld 1a: o Platten 3897 – 3909 weisen tendenziell die grössten Rissweiten auf (bis 0.5 mm);

Kantenausbrüche bei grösseren Rissen

Feld 1b: o Platten 3890 bis 3896 stellenweise glänzend o weisen tendenziell die grössten Rissweiten auf (bis 0.5 mm); Kantenausbrüche bei

grösseren Rissen

Feld 2a: o Nicht glänzend o Platten 3884, 3886: stellenweise grobe Gesteinskörnung sichtbar (Zementhaut stärker

abgetragen) o Rissbild analog andere Felder aber Rissweite eher geringer als Feld 1a (Abbildung 5) o Platte 3860: (= erste Platte); Eck ausgebrochen und instandgesetzt (Abbildung 6)

Die Ergebnisse der Messungen vor Ort sind in Tabelle 4 zusammengefasst. Die Betonfeuch-te lag bei den am 24.6.2009 untersuchten Feldern (1a, 2a, Referenz) 4 – 5 M.-%, d.h. deut-lich niedriger als am Tag vorher (> 6 M.-%). Der spezifische elektrische Widerstand variierte zwischen etwa 30 und 50 kcm. Gemäss Jacobs (2006) sind diese Zusammenhänge zwi-schen Betonfeuchte und spezifischen elektrischen Widerstand üblich. Die Luftpermeabilität nach SIA 262/1 konnte nur am zweiten Untersuchungstag bei drei Feldern (1a, 2a, Refe-renz) gemessen werden, da es am ersten Untersuchungstag regnete. Die nach SIA 262/1 bestimmte Luftpermeabilität lag zumeist zwischen 0.1 und 1·10-16 m2 (Abbildung 10). Das Referenzfeld wies eine gering niedrigere Luftpermeabilität als die Recyclingbetone 1a und 2a auf.


Oktober 2011 21

Tabelle 4: Ergebnisse der Zustandsuntersuchung vor Ort

Feld Platte Luftpermeabilität kT [10-16 m2]

Betonfeuchte [M.-%]

Spez. elektr. Widerstand

[kcm]

Luftempe-ratur [°C]

1c nicht messbar > 6 11 – 13 2b nicht messbar > 6 12 - 14 2a 3864 0.019 4.8 – 5.0 39 – 45

21 4 – 4.5 0.83 4.5

3874 0.067 4.0 38 – 40 0.68 4.0

0.076 4.0 21.4 1.1 3.8 0.25 4.0 0.27 3.8

3880 45 - 50 1a 3902 0.57 4.5

0.059 4.2 0.20 32 -42 0.46 1.0 1.9 4.1 – 4.3

3907 24 -31 3909 1.6 4.1 27 – 35 16.4

0.46 4.3 0.17 4.3 19.5 0.37 4.4 20.1 0.40 4.2 – 5.0 0.53 4.5 – 4.7

Referenz 3913 55 – 65 3920 0.13 3.6 25 - 54

0.24 3.7 0.0081 3.9

0.39 4.0 20.8


22 Oktober 2011

Abbildung 4: Zustandsaufnahme der Betondecken; die Zementhaut fehlt teilweise

Abbildung 5: Intensivere (Feld 1a, Platte 3897) und geringe Rissbildung (Feld 1c, Platte 5570)


Oktober 2011 23

Abbildung 6: Abgebrochene Kante mit Rissverfüllung

Abbildung 7: Luftpermeabilitätsmessungen

Abbildung 8: Bohrkernentnahme


24 Oktober 2011

Abbildung 9: Bohrkerne aus Recyclingbeton des Feldes 2b (Platten 5572, 5582, 5589)

Abbildung 10: Luftpermeabilität nach SIA 262/1 (Einzelwerte und geometrischer Mittelwert pro Feld), bestimmt vor Ort an den Fahrbahnoberflächen

0.35 0.44

0.10

0.001

0.01

0.1

1

10

100

3864

3864

3864

3874

3874

3874

3874

3874

3874

Geom

ittel

3902

3902

3902

3902

3902

3902

3909

3909

3909

3909

3909

3909

Geom

ittel

3920

3920

3920

3920

Geom

ittel

2a 1a Referenz

Luftpe

rmeabilität

[ 10‐

16 m

2]


Oktober 2011 25

3.4 Bohrkernuntersuchungen 3.4.1 Allgemein

Die Ergebnisse der Bohrkernuntersuchungen sind nachfolgend dargestellt. Sofern Ergeb-nisse von früheren Untersuchungen (Wilk et al.) vorlagen, sind diese ebenfalls aufgeführt. Die aktuellen Prüfberichte befinden sich im Anhang.

3.4.2 Druckfestigkeit Die Bestimmung der Druckfestigkeit erfolgte an Prüfkörpern mit unterschiedlicher Geomet-rie: Im Alter von bis zu 28 Tagen wurde die Druckfestigkeit nach der Prüfung der Biegezug-

festigkeit an Prismen (12 x 12 x 36 cm3) an den Prismenhälften bestimmt (Abbildung 12).

Im Betonalter von 1 bis 3 Jahren wurde die Druckfestigkeit an Bohrkernen mit einem Durchmesser von 150 mm und einem Durchmesser- zu Höhenverhältnis von 1 : 1 be-stimmt.

Bei der aktuellen Untersuchungskampagne wurde die Druckfestigkeit an Bohrkernen mit einem Durchmesser von 50 mm und einem Durchmesser- zu Höhenverhältnis von 1 : 1 bestimmt

Die Einflüsse der verschiedenen Prüfkörpergeometrien und Lagerungsbedingungen auf die Druckfestigkeit wurde bei der Darstellung in Abbildung 12 nicht berücksichtigt, da kein grosser Einfluss erwartet wird. Die Bohrkerndruckfestigkeiten der Recyclingbetone lagen zumeist um etwa 60 – 65 N/mm2, im Referenzfeld wurden Bohrkerndruckfestigkeiten von etwa 75 N/mm2 ermittelt (Abbildung 11). Die Standardabweichungen der Druckfestigkeiten lagen bei etwa 3 (Felder 1a und 2a), 5 – 6 (Feld 1c, Referenzfeld) und fast 8 N/mm2 (Feld 2b). D.h. die Druckfestig-keit variierten im Feld 2b am stärksten und in den Feldern 1a und 2a am geringsten. Bei w/z-Werten von 0.40 – 0.50 wäre bei Beton mit natürlicher Gesteinskörnung eine 28 Tage-Druckfestigkeit von etwa 40 – 50 N/mm2 zu erwarten. In Folge des künstlich einge-führten Luftgehalts sollte die tatsächliche Druckfestigkeit um etwa 10 N/mm2 geringer sein. Die tatsächliche 28 Tage-Druckfestigkeit von etwa 40 N/mm2 deutet darauf hin, dass der w/z-Wert, berechnet ohne die Wasseraufnahme der Recyclinggesteinskörnung, ungefähr bei 0.40 im Recyclingbeton liegen könnte. Dies entspricht auch den Angaben in Abschnitt 3.1. Die Druckfestigkeit nahm bis zum Alter von fast 20 Jahren kontinuierlich zu. Zwischen dem Alter von 28 Tagen und fast 20 Jahren erhöhte sich die Druckfestigkeit noch in den Feldern 1c, 2a, 2b um etwa 50 % und den Feldern 1a und Referenz um 80 - 90 % (Abbildung 13). Gemäss Norm SIA 262 wäre bei heutigen Betonen eine Zunahme der Druckfestigkeit von etwa 30 % zwischen 28 Tagen und etwa 20 Jahren zu erwarten; gemäss der EMPA-Formel2 sollte diese Zunahme bei etwa 100 % liegen. Die Unterschiede zwischen diesen beiden Angaben kann darauf zurückgeführt werden, dass die früheren Zemente (auf deren Basis die EMPA-Formel beruht) nicht so fein wie die heute verwendeten Zemente aufge-mahlen wurden und deshalb eine stärkere Nacherhärtung zeigen. Da die absolute und prozentuale Entwicklung der Druckfestigkeit der zu erwartenden Fes-tigkeit entspricht, bestehen somit keine Hinweise auf nennenswerte Schäden, die die Druckfestigkeit beeinträchtigen.

2 f28 = ft/[0.41 x (log(t)+1]; t: Alter in Tagen; ft: Druckfestigkeit im Alter t [N/mm2]


26 Oktober 2011

Abbildung 11: Bohrkerndruckfestigkeiten (Höhe = Durchmesser = 50 mm) an den unter-suchten Fahrbahnplatten

Abbildung 12: Druckfestigkeitsentwicklung an den untersuchten Fahrbahnplatten

59.464.9 63.6 65.1

76.8

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

3902

3907

3907

3909

3909

Mittelwert

5582

5589

5589

5600

5600

Mittelwert

3864

3874

3874

3880

3880

Mittelwert

5549

5566

5566

5572

5572

Mittelwert

5540

5541

5541

5542

5542

Mittelwert

1a 1c 2a 2b Referenz

Bohrkerndruckfestig

keit [N/m

m2 ]

Felder und Platten [‐]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

3 d 7 d 28 d 1 a 2 a 3 a 18/19 a

Druckfestig

keit [N/m

m2 ]

Alter

1a1c2b2aReferenz


Oktober 2011 27

Abbildung 13: Prozentuale Druckfestigkeitsentwicklung an den untersuchten Fahrbahnplat-ten zum Vergleich sind die Festigkeitsentwicklungen nach SIA 262 (Lagerung bei 20 °C) und der EMPA-Formel eingetragen

0

50

100

150

200

250

3 d 7 d 28 d 1 a 2 a 3 a 18/19 a

Druckfestig

keit [%

von

28 Tage

‐Wert]

Alter

1a1c2b2aReferenzEMPASIA 262 (20 °C)


28 Oktober 2011

3.4.3 Wasserleitfähigkeit und Karbonatisierungstiefe Die Wasserleitfähigkeiten lagen zwischen 2 und 5 g/m2h (Abbildung 14). Die Betone aus den Feldern 1a, 1c und 2b wiesen dabei Wasserleitfähigkeiten zwischen 4 und 5 g/m2h auf.

Abbildung 14: Wasserleitfähigkeiten, bestimmt an Bohrkernen aus den untersuchten Fahr-bahnplatten

Die Karbonatisierungstiefen betrugen bei allen Bohrkernen nicht mehr als 1 mm. Dies kann durch die fortwährend hohen Wassergehalte im Beton erklärt werden.

3.4.4 Chloridgehalt und Chloridmigrationskoeffizient Der im Altbetonbelag gemessene Chloridgehalt betrug 0.01 M.-% (Wilk et al.). Nach ca. 20 Jahren unter Verkehr lag der Chloridgehalt im Beton bei bis zu 3.6 M.-% bzgl. des Ze-mentgehalts (Abbildung 15). In Beton 1a wurde am stärksten und in den Beton des Refe-renzfeldes am wenigsten Chlorid aus Tausalz eingetragen.

Abbildung 15: Chloridgehalte, bestimmt an Bohrkernen, aus den untersuchten Fahrbahn-platten, bezogen auf einen Beton mit 375 kg/m3 Zement und eine Trockenrohdichte von 2300 kg/m3

4.6 4.8

3.34.1

2.2

0

1

2

3

4

5

6

7

3902

3902

3907

3907

3909

Mittelwert

5582

5582

5589

5589

5600

Mittelwert

3864

3864

3874

3874

3880

Mittelwert

5549

5549

5566

5566

5572

Mittelwert

5540

5540

5541

5541

5542

Mittelwert


Wasserle

itfäh

igkeit [g/(m

2 h)]

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

0‐10 10‐20 20‐30 30‐40 40‐50

Chlorid

geha

lt [M

.‐% von

CEM

]

Tiefenstufe [mm]

1a

1c

2a

2b

Referenz


Oktober 2011 29

Die Chloridmigrationskoeffizienten wurden an den Bohrkernabschnitten bestimmt, die min-destens 60 mm Abstand zur Plattenoberseite aufwiesen, da die Prüfung nur an Prüfkör-pern möglich ist, die kein Chlorid enthalten. Die Chloridmigrationskoeffizienten liegen bei etwa 2 bis 8·10-12 m2/s (Abbildung 16). Beton 1a weist den höchsten und der Referenzbe-ton den niedrigsten Chloridmigrationskoeffizienten auf.

Abbildung 16: Chloridmigrationskoeffizienten, ermittelt an Bohrkernen

0.1

1.0

10.0

100.0


Chlorid

migratio

nsko

effizient [1

0‐12m

2 /s]


30 Oktober 2011

3.4.5 Mikroskopie An jedem der untersuchten Betone wurden drei bis vier Dünnschliffe in einem Abstand von 0 bis 30 mm Tiefe von der Fahrbahnoberfläche untersucht. Eine Zusammenfassung der Ergebnisse enthält Tabelle 5. Danach zeigt sich Folgendes: Die Betone

o enthalten alle Portlandzement (CEM I); nur Beton 2b enthält zusätzlich Sili-kastaub

o weisen alle einen niedrigen w/z-Wert (0.40 - 0.50) auf. o enthalten natürliche und bis auf den Referenzbeton auch rezyklierte Gesteins-

körnung; bei den Betonen 1a, 1c, 2b wurde auch vereinzelt Stücke von Bauke-ramik (z.B. Backsteine) gefunden. Die Baukeramik deutet auf geringe Verunrei-nigungen des Betongranulats bei der Aufbereitung hin.

o enthalten etwa 4 – 6 Vol.-% vereinzelt 8 Vol.-% Luftporen Bei allen Betonen ist die Zementhaut abgetragen. Der Verbundbereich zwischen Zementstein und Gesteinskörnung ist bis auf den Beton

1a gut; bei Beton 1a bestätigen die Poren und Risse die grossen Schwierigkeiten bei der Herstellung und dem Einbau.

Alle Betone o weisen Karbonatisierungstiefen von wenigen Millimetern auf. o enthalten Risse von zumeist < 0.1 mm, selten bis 0.3 mm. o zeigen Anzeichen einer Alkaliaggregatreaktion (AAR) und dadurch bedingte,

geringe Gefügeschädigungen (Risse). Der Beton 1a zeigt mässige, die anderen Betone geringe Gefügeschädigungen.

Im Vergleich mit den Angaben u.a. von der Betonherstellung (Tabelle 3), ergab sich ge-mäss der mikroskopischen Untersuchungen Folgendes: Die Zementgehalte werden leicht niedriger geschätzt (ca. 20 kg/m3) Im Beton des Felder 2a wurde kein Silikastaub ermittelt. Es hätten 2.4 – 7.5 % vom

Zementgehalt Silikastaub enthalten sein sollen. Hierbei handelt es sich einerseits um gering Gehalte, die nicht einfach zu bestimmen sind und andererseits reagierte der Si-likastaub.

Die w/z-Werte wurden ähnlich (1a) bis niedriger (1c, 2b) geschätzt. Dies beruht dar-auf, dass der w/z-Wert von Tabelle 3 durch Darren bestimmt wurde, d.h.die Kern-feuchte der Gesteinskörnung in diese w/z-Wertberechnung einging. Nach Abzug einer üblichen Kernfeuchte ergeben sich vergleichbare w/z-Werte.

Die Luftporengehalt wurden ähnlich geschätzt. Die mikroskopisch ermittelten Karbonatisierungstiefen sind höher als diejenigen, die

mit Phenolphtalein bestimmt wurden. Diese Unterschiede sind nicht unüblich. Es zeigt sich eine Zunahme der Rissbildung.

Im Rahmen der zu erwartenden Genauigkeit stimmen die mikroskopisch ermittelten Werte gut mit den früher ermittelten bzw. erwarteten überein.


Oktober 2011 31

Tabelle 5: Ergebnisse der mikroskopischen Untersuchungen

Feld 1a 1c 2a 2b Referenz

Bindemittel ca. 320 kg CEM I ca. 350 kg CEM I ca. 320 kg CEM I

Silikastaub kein wenig kein

w/z-Wert 0.45 – 0.50 0.40 – 0.45 0.40 – 0.50

Gesteinskörnung Natürlich (Brechsand, z. T. Splitt) und Betongra-nulat, Baukeramik

Wie 1a, keine Bauke-ramik

Wie 1a, 1c Natürliche (Brechsand, Rund-kies)

Luftgehalt 4 – 6 Vol.-% 4 – 8 Vol.-% 5 – 8 Vol.-% 4 – 8 Vol.-%

Verbundbereich einige Poren, Risse selten Poren, Risse einige Risse, Poren Feinteilanreicherung

Risse, Rissweiten Feine: < 0.01 mm quer durch Ge-

steinskörnung senkrecht ab

Oberfläche

Wenige Einige, ≤ 0.01 mm einige, bis > 30 mm

Tiefe, ≤ 0.20 mm, z.T. 0.4 mm

wenige wenige, ≤ 0.02 z.T.

0.025 mm einige, bis > 16

mm Tiefe, ≤ 0.03 mm

wenige einige, ≤ 0.03 mm, einige bis 4 mm ,

z.T. 30 mm Tiefe, ≤ 0.01 mm

wenige einige, ≤ 0.03 mm,

z.T. ≤ 0.30 mm, einige, bis 2 mm

z.T. bis 30 mm Tiefe, ≤ 0.01 mm, z.T. 0.3 mm

wenige wenige, ≤ 0.03 mm, einige, 2 bis 7 mm tief, ≤

0.01 mm

Karbonatisierung ≤ 3 mm, bis 12 mm bei Rissen ≤ 3 mm, bis 20 mm bei Riss

≤ 1 mm, bis 12 mm bei Rissen

Schädigung durch AAR, vor allem in Betongranulat geringe durch AAR

Gefügeschädigung mässig bis lokal starke geringe


Oktober 2011 33

4 Beurteilung

4.1 Heutiger Zustand Die Untersuchungen der Bohrkerne aus den verschiedenen Feldern zeigten Folgendes (Tabelle 6): Generell ist die Betonqualität in Ordnung. Der Beton im Feld 1a wies die geringste Betonqualität auf. Ursache für die geringe Be-

tonqualität sind u.a. keine Aufbereitung der Gesteinskörnung in verschiedene Korn-gruppen und dadurch bedingte Schwankungen bei der Betonherstellung sowie Schwie-rigkeiten beim Einbau, die zu Gefügestörungen und später zu den deutlichsten Schädi-gungen führten.

Der Referenzbeton wies deutlich die höchste Betonqualität auf.

Tabelle 6: Zusammenstellung der Eigenschaften, ermittelt 2009; n.b.: nicht bestimmt

Feld 1a 1c 2a 2b Referenz

Wasserleitfähigkeit [g/m2 h] 5 5 3 4 2

Chloridgehalt in 30 – 40 mm [M.-% bzgl. CEM]

1.3 0.3 0.5 0.3 0.1

Chloridmigrationskoeffizient [10-12 m2/s] 7.8 4.5 4.3 3.8 1.7

Luftpermeabilität [10-16 m2] 0.44 n.b. 0.35 n.b. 0.10

Bohrkerndruckfestigkeit [N/mm2] 59 65 64 65 77

Makroskopische Gefügeschädigung deutliche mässige

Mikroskopische Gefügeschädigung mässig, lokal stark

gering

Feld 1a wies generell die niedrigste Druckfestigkeit auf. Bei den Recyclingbetonen wurde ei-ne ähnliche (Feld 1a) bis geringere (andere Recyclingbetonfelder) prozentuale Zunahme der Druckfestigkeit zwischen 3 Jahren und ca. 20 Jahren wie beim Referenzbeton ermittelt (Abbildung 13). Die Ursache für die geringere prozentuale Druckfestigkeitszunahme der Fel-der 1c und 2b könnte eventuell u.a. auf den Einsatz von Silikastaub zurückgeführt werden, der zu höheren Anfangsfestigkeiten und geringeren Nacherhärtungen führen kann (z.B. Hunkeler et al.). Die Festigkeiten entsprechen ungefähr den aufgrund der Betonzusammen-setzung zu erwartenden und weisen nicht auf wesentliche Betonschäden hin. Beim Vergleich der Ergebnisse der mikroskopischen Untersuchungen 1993 und 2009 zeigt sich eine (sehr) geringe Zunahme der Schädigung (Rissbildung). Die Chloride sind bis in 30 – 40 mm Tiefe eingedrungen. Gemäss SIA 262 wäre für bewehr-ten Beton für XD3(CH) eine Bewehrungsüberdeckung von 55 mm (mit Vorhaltemass) gefor-dert. Bis auf Feld 1a wäre somit bei den ermittelten Chloridgehalten und den nach heutigen Normen geforderter Bewehrungsüberdeckung eine chloridbedingte Bewehrungskorrosion nicht zu erwarten. Die Wasserleitfähigkeiten und Chloridmigrationskoeffizienten entsprechen denjenigen, die aufgrund der Zusammensetzung und dem Alter zu erwarten sind. Die 2009 ermittelten Luftpermeabilitäten sind für die vorhandenen Betonqualitäten beim Be-ton der Felder 1a und 2a als hoch und beim Referenzfeld als knapp akzeptabel einzustufen.


34 Oktober 2011

Gemäss Jacobs (2006) sollte im Alter von wenigen Monaten bei Beton für die Expositions-klasse XC4(CH) eine mittlere Luftpermeabilität von 0.16 10-16 m2 und bei Beton für die Expo-sitionsklasse XF4(CH) eine von 0.08 10-16 m2 erreicht werden. Die im Vergleich zur Beton-qualität erhöhten Luftpermeabilitäten könnten auf eine Mikrorissbildung zurückgeführt wer-den. Bei vergleichbaren Luftpermeabilitäten wurden vergleichbare Chlorideinträge beobach-tet (Jacobs 2006). In allen Betonen zeigen sich erste Anzeichen einer Alkaliaggregatreaktion (AAR). Die heute vorhandenen Rissbreiten von zumeist < 0.1 mm und maximal 0.1 bis 0.5 mm ergeben bei einem angenommenen linearen Risswachstum eine Rissbreitenänderung von maximal etwa 5 bis 15 µm/Jahr. Dieses Wachstum ist als gering einzustufen (Merz et al. 2006), insbeson-dere wenn auch noch die Verkehrsbelastungen berücksichtigt werden. Die AAR wird durch die eingesetzte natürliche und rezyklierte Gesteinskörnung verursacht. Silikastaubgehalte von etwa 4 % bzgl. des Zementgehalts sind somit (bekanntermassen) zu niedrig, um AAR bei diesen Betonen zu unterdrücken. Die ermittelten Festbetoneigenschaften deuten auf keine nennenswerten Schäden infolge der 20jährigen Nutzung hin. Vereinzelt sind feine Risse (zumeist < 0.1 mm) zu beobachten. Ein Teil dieser Risse entstand bereits kurz nach Beginn der Herstellung und der Nutzung durch die Trocknung (Schwindrisse) und die Beanspruchung unter Verkehr, ein anderer Teil hat sich im Laufe der Jahre durch AAR gebildet. Bei der Griffigkeit zeigte sich kein Unterschied zwischen den Recyclingbetonen und dem Be-ton aus natürlicher Gesteinskörnung.

4.2 Zukünftige Zustandsentwicklung Die Untersuchungsergebnisse deuten darauf hin, dass vor allem infolge Alkali-Aggregat-Reaktion (AAR) zukünftig mit einer weiteren Betonschädigung (Risswachstum) zu rechnen ist. Wird mit einem ähnlichen AAR-bedingtem Risswachstum wie bis anhin gerechnet, sollten sich die mikroskopisch ermittelten Rissweiten von zumeist < 0.1 mm in den nächsten 20 Jah-ren ungefähr verdoppeln. Auch werden sich die an den Oberflächen beobachteten Risse mit Rissweiten von heute 0.2 - 0.5 mm noch vergrössern. Da zusätzliche Einwirkungen wie z.B. Frost und Verkehr stattfinden, kann nicht ausgeschlossen werden, dass sich die Rissöffnung beschleunigt. Die Felder 1a und 1b, die bereits heute die deutlichsten Gefügeschädigungen aufweisen, werden vermutlich die grösste Schadenszunahme zeigen. Aus heutiger Sicht sollte eine Nutzung während weiteren ca. 20 Jahren möglich sein. D.h. mit diesen Recyc-lingbetonen sollte eine Lebensdauer von den für Betondecken üblichen 40 Jahren möglich sein.

4.3 Heutige Anforderungen Aus heutiger Sicht hätte der unbewehrte Beton beim Einbau den Anforderungen der Exposi-tionsklassen XC4(CH) und XF4(CH) zu genügen. Dies bedeutet einen w/z-Wert von maximal 0.45, einen hohen Frosttausalzwiderstand und eine Wasserleitfähigkeit, geprüft im Alter von 28 Tagen, von maximal 10 g/m2·h. in der Regel die Druckfestigkeitsklasse C30/37.

Vergleicht man diese Anforderungen mit den Ergebnissen von Tabelle 6, zeigt sich, dass heute (Betonalter fast 20 Jahre)

o die Druckfestigkeit C30/37 erreicht wird o die Wasserleitfähigkeit von 10 g/m2 h erreicht wird

im Alter von 28 Tagen o die Druckfestigkeitsklasse C30/37 knapp bis deutlich (Feld 1a) unterschritten wurde. o die Wasserleitfähigkeit von 10 g/m2 h wahrscheinlich erreicht wurde o die damaligen w/z-Werte mit den heutigen nicht einfach verglichen werden können,

da diese damals mit Darren bestimmt wurden, wodurch auch der Wasserge-halt der Gesteinskörnung in das Prüfergebnis einging


Oktober 2011 35

heute die effektive Wassermenge bei der w/z-Wertbestimmung zu verwen-den ist, d.h. der Wassergehalt der Gesteinskörnung darf von der Anmach-wassermenge abgezogen werden. (SN EN 1097-6)

Die 20jährige Nutzung der Betonfahrbahnen ohne gravierende Schäden weist zudem auf ei-nen hohen Frost-Tausalzwiderstand hin. Es zeigte sich somit kein klarer Unterschied in der Praxis, ob der Beton im Alter von 28 Tagen einen mittleren oder hohen Frosttausalzwider-stand aufwies (geprüft mit Methode D-R, BE I). Wäre der Fahrbahnbeton bewehrt, würde zusätzlich XD3(CH) zu fordern sein. Dies würde zusätzlich die Einhaltung des Chloridmigrationskoeffizienten, geprüft im Alter von 28 Tagen, von maximal 10·10-12 m2/s bedeuten. Dies wird von den Betonen im Alter von fast 20 Jahren erreicht; im Alter von 28 Tagen wäre dieser Chloridmigrationskoeffizienten bis auf das Refe-renzfeld wahrscheinlich deutlich verfehlt (Feld 1a) bis knapp erreicht worden (andere Fel-der). Im Entwurf (2009) des Merkblattes MB 2042 Alkali-Aggregat-Reaktion (AAR) vom SIA sind Hinweise gegeben, inwieweit der Beton vor dessen Verwendung auf das Potential einer AAR zu untersuchen ist. Danach wäre eine Fahrbahndecke aus Beton wie folgt zu klassieren: Risikoklasse R1 oder R2 und Umgebungsklasse U3 (Tabelle 7) ergibt Präventionsklasse P1 bzw. bei Risikoklasse R2 ergäbe sich Präventionsklasse P2

(Tabelle 8) Gemäss dem aktuellen Merkblattentwurf sind bei der Präventionsklasse P1 keine besonde-ren betontechnologischen oder konstruktiven Massnahme erforderlich, die über die Anforde-rungen der heute gültigen Normen hinausgehen. Bei der Präventionsklasse P2 sind beson-dere Anforderungen an den Beton (z.B. AAR-beständiger Beton) erforderlich.

Tabelle 7: Definition der Umgebungsklassen gemäss Entwurf MB 2042

Umge-bungsklasse

Expositions-klasse nach SN EN 206-1

Beschreibung Exposition

U3 XC4/XD3/XF4 Wechselnd nass/trocken mit Chloriden. Hohe Wassersättigung mit Taumitteln. Wesentliche Alkalizufuhr von aussen (Tausalz, Berg- oder Grundwasser) oder erhöhte Temperaturen.

Beton im Aussenbereich, der Witterung ausgesetzt (Kontakt- und Spritzwasser, hohe Frosttausalz-Belastung);

Tabelle 8: Definition der Risikoklasse gemäss Entwurf MB 2042

Risikoklasse Umgebungsklasse

U1 U2 U3

R1 P1 P1 P1

R2 P1 P2 P2

R3 P2 P2 P3


36 Oktober 2011

Im 2010 herausgegebenen SIA Merkblatt zu Recyclingbeton sind Hinweise zu zulässigen Einsatzgebieten enthalten (Tabelle 9). Die Expositionsklasse XD wäre nur relevant, wenn der Beton Bewehrung enthielte, was bei Betondecken nicht üblich ist. Gemäss dem Merk-blatt wäre eine Verwendung von Recyclingbeton RC-C in der Expositionsklasse XF nur nach Voruntersuchungen zulässig; wie diese auszusehen haben, ist nicht angegeben. Gemäss dem Entwurf des AAR-Merkblattes kann auf spezielle AAR-bedingte Massnahmen verzichtet werden, wenn der Beton der Präventionsklasse P1 zuzuordnen wäre. Somit müssten im Rahmen der Voruntersuchungen die üblichen Frischbetoneigenschaften und ausgewählte Festbetoneigenschaften (Festigkeit, Dichtigkeit, Frost-Tausalz-Widerstand, Verschleisswi-derstand, evtl. Alkaliaggregatreaktion) bestimmt werden.

Tabelle 9: Einsatzgebiete von Recyclingbeton gemäss SIA MB 2030


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5 Folgerungen und Empfehlungen

5.1 Recyclingbeton auf der N13 Gemäss den durchgeführten Untersuchungen zeigt sich Folgendes:

Die beim Bau 1990/91 gewonnenen Erkenntnisse können im Wesentlichen bestätigt wer-

den (vgl. Wilk et al.). Die Art der Korngruppe 0/4 (ob natürlich oder rezykliert) hatte keine Auswirkungen auf die

untersuchten Betoneigenschaften. Es liegen auch keine Hinweise von der Nutzung vor, dass die Verkehrssicherheit (z.B. Griffigkeit) der Betonbeläge negativ durch Recyclingbe-ton beeinflusst wurde.

Die ermittelten Festbetoneigenschaften der Recyclingbetone differieren nur unwesentlich gegenüber dem Referenzbeton aus Primärmaterial.

Generell ist die Betonqualität in Ordnung. Die Druckfestigkeitswerte des Recyclingbetons liegen bei ca. 65 N/mm2 (59 N/mm2 beim Recyclingbeton mit Aufbereitungsschwierigkei-ten), die des Referenzbetons bei 77 N/mm2.

In allen Betonen sind erste Anzeichen von Alkaliaggregatreaktion (AAR) festzustellen. Alle untersuchten Betondecken mit Betongranulat sind weiterhin nutzbar und werden ihre

geschätzte Gebrauchsdauer von etwa 40 Jahre erreichen, wenngleich die Schädigungen (AAR) zunehmen werden.

Es wird empfohlen den Zustand der Betondecken weiter zu verfolgen, d.h. alle etwa 5 Jahre die Fahrbahn visuell auf Risse, Ausbrüche etc. zu begutachten. Die Gesteinskörnung ist für die Betonherstellung, wie auch in der SN EN 206-1 vorgeschrie-ben, in verschiedene Korngruppen aufzuteilen, um eine gleichmässige Konsistenz und damit auch eine hohe Qualität des Betons zu erreichen.


38 Oktober 2011

5.2 Verwendung von Recyclingbeton in Betondecken Im Rahmen der vorliegenden Untersuchungen wurde die mit rezykliertem Beton ausgeführte Fahrbahndecke der A13, im Abschnitt Oberriet – Haag (eingebaut 1990/91) untersucht. Die rezyklierte Gesteinskörnung stammt vom Betonbelag der alten Autostrasse von 1967. Wenn Betone, z.B. von abgehenden Betonverkehrsflächen (Strassen, Autobahnen) zu Be-tongranulat aufbereitet werden sollen, sind diese vorgängig auf Schädigungen (z.B. AAR) und Schadstoffe (z.B. Chloride) zu untersuchen. Betondecken von Strassen- und Flugver-kehrsflächen sind grundsätzlich besonders gut zur Herstellung von Betongranulat geeignet, da diese in der Regel eine hohe Betonqualität aufweisen und homogen sind. Betone mit 100%-Anteil an Betongranulat als Gesteinskörnung (von z.B. Strassen- und Flugverkehrsflä-chen) können für Fahrbahndecken verwendet werden, sofern das Betongranulat geeignet ist (s.o.). Es wird empfohlen, zur Erzielung einer gleichmässigen Konsistenz bei der Betonaufberei-tung die Gesteinskörnung für die Betonherstellung in verschiedene Korngruppen aufzuteilen. Damit sind auch höhere Festigkeiten und grössere Dichtheiten zu erreichen. Betonverkehrsflächen werden oft zweilagig ausgeführt. Dabei können sowohl Betonunter- als auch Betonoberschicht mit Recyclingbeton ausgeführt werden. Um einerseits den ökologischen Anforderungen an das Schliessen von Stoffkreisläufen durch Betonrecycling und andererseits der geforderten Gebrauchstauglichkeit von Betonbe-lägen zu genügen, wird empfohlen, nur die Unterschicht mit Recyclingbeton auszuführen und für die Oberschicht Beton aus natürlicher Gesteinskörnung zu verwenden. Dadurch kann einerseits einer allfällig erhöhten Gefahr von Schädigung im Recyclingbeton (z.B. AAR) begegnet werden; andererseits kann der Beton in der Oberschicht in so einer Zusammen-setzung verwendet werden, mit der alle Anforderungen, wie z.B. eine lärmmindernde Textur, erfüllt werden können.


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Anhänge

I Prüfberichte……………………………………………………………………………………….40


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I. Prüfberichte


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52 Oktober 2011


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62 Oktober 2011


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64 Oktober 2011


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74 Oktober 2011


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76 Oktober 2011


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78 Oktober 2011


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Abkürzungen

Begriff Bedeutung

A Bezeichnung Nationalstrasse

AAR Alkaliaggregatreaktion

CEM I Portlandzement nach SN EN 197-1

M.-% Massenprozent

N Bezeichnung Nationalstrasse

w/z Massenverhältnis Wasser zu Zement


80 Oktober 2011

Literaturverzeichnis

[1] Hoffmann, C. & F. Jacobs (2007): Recyclingbeton aus Beton- und Mischabbruchgranulat –Sachstandsbericht.- EMPA Dübendorf, TFB-Wildegg (unterhttp://www.tfb.ch/de/Publikationen/Publikationsliste.html herunterladbar)

[2] Hunkeler, F., H. Ungricht & Ch. Merz (2002): Vergleichende Untersuchungen zum Chloridwider-stand von Betonen.- VSS-Bericht 568

[3] Jacobs, F. (2006): Luftpermeabilität als Kenngrösse für die Qualität des Überdeckungsbetons vonBetonbauwerken.- VSS-Bericht 604

[4] Merz, Ch., F. Hunkeler & A. Griesser (2006): Schäden durch Alkali-Aggregat-Reaktion an Beton-bauten in der Schweiz.- VSS-Bericht 599

[5] SIA (2010): Merkblatt 2030 Recyclingbeton [6] SIA (2009): Merkblatt 2042 Massnahmen zur Vermeidung der Alkali-Aggregatreaktion beim Be-

tonbau, Entwurf [7] Wilk, W., G. Tsohos & R. Werner (1994): Neue Betondecken aus Betonrecyclingmaterial.- VSS-

Bericht 326

Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden. | Dauerhaftigkeit von Betonfahrbahnen aus Betongranulat

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Projektabschluss


82 Oktober 2011


Oktober 2011 83


84 Oktober 2011

Verzeichnis der Berichte der Forschung im Strassenwesen


Oktober 2011 85


86 Oktober 2011

Documents

Dauerhaftigkeit von Betonfahr- bahnen aus Betongranulat · 2015. 11. 6. · 2.2 Rezyklierter Beton ... En même temps un essai en grandeur nature concernant la réutilisation du granulat