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Heft 561
.. DEUTSCHER AUSSCHUSS FUR STAHLBETON
Sachstandsbericht
Ultrahochfester Beton
von
Prof. Dr.-Ing. Michael Schmidt Dipl.-Ing. Kai Bunje
Jun.-Prof. Dr.-Ing. Frank Dehn Dr. Klaus Droll
Prof. Dr.-Ing. Ekkehard Fehling Dr.-Ing. Stefan Greiner Dr. Johannes Horvath
Dipl.-Min. Eugen Kleen Dr.-Ing. Christoph Müller
Prof. Dr.-Ing. Karl-Heinz Reineck Dr.-Ing. Ingo Schachinger
Dipl.-Ing. Thomas Teichmann Dr.-Ing. Manfred Teutsch Dipl.-Ing. Roland Thiel Dr.-Ing. Nguyen V. Tue
1. Auflage 2008
Herausgeber: Deutscher Ausschuss für Stahlbeton DAfStb
Fachbereich 07 des NA Bau im DIN Deutsches Institut für Normung e. V.
Beuth Verlag GmbH . Berlin . Wien· Zürich
Inhaltsverzeichnis
1.
2. 2.1.
2.2.
2.3.
2.4.
2.5. 2.5.1. 2.5.1.1. 2.5.1.2. 2.5.1.3. 2.5.1.4. 2.5.1.5.
2.5.2.
2.5.3.
2.5.4.
2.5.5.
2.5.6.
2.5.7. 2.5.7.1. 2.5.7.2. 2.5.7.3.
2.6.
2.7.
3. 3.1.
3.2.
3.3.
3.4.
3.4.1.
3.4.2.
3.4.3.
3.4.4.
3.4.5.
3.4.6.
3.5.
3.6.
3.7.
3.7.1.
3.7.2.
3.7.3.
3.8.
4. 4.1
4.2
4.3
4.4
Seite
Einleitung und Zielsetzung 7
Anwendungen von ultrahochfesten Betonen (UHFB) und Bauwerke aus UHFB 8
Einführung und Überblick zur Entwicklung von UHFB 8
Dauerhaftigkeit von ultrahochfesten Betonen 9
Umweltverträglichkeit von ultrahochfesten Betonen 9
Hinweise zur Wirtschaftlichkeit 10
Beispiele für Anwendungen 10 Fußgängerbrücke von Sherbrooke, Kanada 10 Allgemeines 10 Aufbau und Tragverhalten 11 Fertigung im Fertigteilwerk 13 Montage 13 Zusammenfassung der technischen Daten 14
Seonyu-Fußgängerbrücke in Seoul 14
Sakata-Mirai-Fußgängerbrücke in Sakata 15
Die ersten französischen Straßenbrücken aus UHFB 16
Die Kasseler "Brückenfamilie" aus UHFB 17
Träger im Kernkraftwerk Cattenom 21
Weitere Beispiele 22 Ausnutzung von Festigkeit und Duktilität.. 22 Einsatz bei hohen Anforderungen an Dichtigkeit und Dauerhaftigkeit 23 Anwendungen von UHFB bei hohen architektonischen Anforderungen 24
Aktuelle Forschungsprojekte in Deutschland und Österreich zur Erschließung weiterer Einsatzgebiete für UHFB 25
Literatur zum Abschnitt 2 26
Ausgangsstoffe und Grundlagen der Mischungszusammensetzung 29 Übersicht 29
Gesteinskörnungen 29
Zement 30
Reaktive und inerte Zusatzstoffe 31
Übersicht 31
Silikastaub 32
Flugasche 33
Metakaolin 33
Gesteinsmehle 34
Feinsthüttensandmehle 34
Zusatzmittel 34
Fasern 36
Mischungszusammensetzung 38
Grundlagen der Mischungsoptimierung bei UHFB 38
Einfluss der Kornpackung 39
Typische Mischungen 43
Literatur zum Abschnitt 3 44
Herstellung von UHFB 49 Allgemeines 49
Mischen 49
Transportieren, Fördern, Lagern und Einbauen 51
Anforderungen an die Schalung 53
3
4.5
4.6
4.7
4.8 4.9
4.10
5 5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
5.6
6
6.1
6.2 6.2.1 6.2.2 6.2.3 6.2.4
6.3 6.3.1 6.3.2 6.3.3 6.3.4 6.3.4.1 6.3.4.2 6.3.4.3
6.4 6.4.1 6.4.2 6.4.3 6.4.4 6.4.5 6.4.6 6.4.7
6.4.8 6.5 6.5.1 6.5.2 6.5.3 6.5.4 6.5.4.1 6.5.4.2
6.6 6.7
6.8 6.9
6.10 6.10.1
6.10.2
4
Seite
Verdichtung 54
Oberflächenbearbeitung und Nachbehandlung 54
Wärmebehandlung und Autoklavierung 55
Qualitätssicherung 55
Prüfverfahren 56
literatur zum Abschnitt 4 56
Eigenschaften des jungen Betons 57 Allgemeines 57
Zwangspannungen im jungen Alter 57
Gefahr der Rissbildung in jungem Alter 58
Frühschwinden 59
Hydratationswärme 60
literatur zum Abschnitt 5 60
Festbeton 61
Allgemeines 61
Mikrostruktur des Ultrahochleistungsbetons 61 Mineralphasenbestand 61 Porosität und Porengrößenverteilung 61 Kontaktzone zwischen Gesteinskörnung und Zementleim 62 Mikrorisse im Betongefüge 62
Verhalten unter Druckbeanspruchung 62 Spannungs-Dehnungs-linie von UHFB ohne Fasern 62 Querdehnzahl 63 Spannungs-Dehnungs-linie von UHFB mit Stahlfasern 64 Einflüsse auf die Festigkeit 65 Prüfkörpergeometrie 65 Prüfmaschine 65 . Wärmebehandlung 65
Verhalten unter Zugbeanspruchung 66 Zentrischer Zug 66 Biegezug 67 Ableitung der zentrischen Zugfestigkeit aus der Druckfestigkeit 69 Ableitung der zentrischen Zugfestigkeit aus Biegezugversuchen 69 Spaltzugfestigkeit 69 Einfluss der Prüfmaschine auf das Zugtragverhalten 70 Einfluss der Fasergeometrie und -orientierung auf das Tragverhalten von UHFB unter Zugbeanspruchung 70 Bruchmechanisches Verhalten 72
Zeitabhängige Verformungen 72 Autogenes Schwinden 72 Trocknungsschwinden 73 Frühschwinden (Plastisches Schwinden oder Kapillarschwinden) 74 Kriechen 75 Nicht wärmebehandelter UHFB 75 Wärmebehandelter UHFB 76
Wärmedehnzahl 76
Verhalten unter dynamischer Belastung 76
Festigkeit unter mehraxialer Belastung und Teilflächenpressung 77
Verbund zwischen UHFB und Betonstahl bzw. Spannstahl. 77
Widerstand gegen Brandeinwirkung 79 Allgemeines 79
Stahlfasern 81
Seite
6.11 Dauerhaftigkeit und besondere Eigenschaften 81
6.11.1 Alkalität der Porenlösung 81 6.11.2 Diffusion und Permeabilität 82 6.11.3 Widerstand gegen chemischen Angriff 83 6.11.3.1 Treibender Angriff 83 6.11.3.2 Lösender Angriff 84 6.11.4 Widerstand gegen physikalischen Angriff 85 6.11.4.1 Frost-Tau-Widerstand 85 6.11.4.2 Frost-Taumittel-Widerstand 85 6.11.5 Korrosionsschutz 85 6.11.5.1 Carbonatisierung 85 6.11.5.2 Chloridinduzierte Korrosion 86 6.11.6 Verschleißwiderstand 86
6.12 Literatur zum Abschnitt 6 86
7 Bemessung und Konstruktion 91
7.1 Einführung und Vorbemerkungen 91
7.2 Bemessungsgrundlagen für ultrahochfeste Betone 91 7.2.1 Bemessungswert der Druckfestigkeit 91 7.2.1.1 Richtlinie AFGC/SETRA [7.4] 91 7.2.1.2 JSCE-Richtlinie für USC [7.5] 91 7.2.1.3 Bemessungswert auf Grundlage der DIN 1045-1 [7.1] 92 7.2.1.4 Vergleich der Vorschläge und Diskussion 93 7.2.2 Bemessungswert der Zugfestigkeit 94 7.2.2.1 Definition 94 7.2.2.2 Theoretische Abschätzung der Zugfestigkeit aufgrund von Fasergehalt und -orientierung 94 7.2.2.3 Ableitung der Zugfestigkeit aus Biegezugversuchen nach AFGC/SETRA 95
7.2.3 Weitere Materialeigenschaften für die Bemessung 96 7.2.3.1 Elastizitätsmodul von UHFB 96 7.2.3.2 Querdehnzahl 96 7.2.3.3 Wärmedehnzahl 96 7.2.3.4 Schwinden und Kriechen 96
7.2.4.1 Spannungs-Dehnungs-Beziehung nach AFGC/SETRA [7.4] 96
7.2.4.3 Spannungs-Dehnungs-Beziehung für UHFB in Anlehnung an DIN 1045-1 [7.1] 99
7.2.4.2
7.2.4
Ableitung der Zugfestigkeit aus Biegezugversuchen in Anlehnung an die Stahlfaserbetonrichtlinien von DBV [7.2] und DAfStb [7.3] 95
Spannungs-Dehnungs-Linie für nichtlineare Verfahren der Schnittgrößenermittlung und für die Verformungsberechnungen 96
Spannungs-Rissbreiten-Beziehung auf Grundlage der theoretischen Abschätzung der Zugfestigkeit aufgrund von Fasergehalt und -orientierung 97
7.2.2.4
7.2.4.3.1 Druckspannungs-Dehnungs-Beziehung für UHFB 99 7.2.4.3.2 Spannungs-Dehnungs-Linie im Zugbereich in Anlehnung an das Stahlfaserbetonmerkblatt
des DBV [7.2] und den Richtlinienentwurf des DAfStb [7.3] 100 7.2.4.4 Diskussion der Vorschläge für das Zugtragverhalten 101 7.2.5 Spannungs-Dehnungs-Beziehung für Querschnittsbemessung 101 7.2.5.1 Spannungs-Dehnungs-Beziehung für die Querschnittsbemessung nach AFGC/SETRA 101 7.2.5.2 USC-Richtlinie der JSCE (2004) 102 7.2.5.3 Spannungs-Dehnungs-Beziehung für UHFB auf Druck für die Querschnittsbemessung
auf Grundlage der DIN 1045-1 103
7.3 Nachweise in den Grenzzuständen der Tragfähigkeit 106 7.3.1 Allgemeines 106 7.3.2 Biegung mit Längskraft 106 7.3.3 Querkraft und Torsion 106 7.3.4 Durchstanzen 107 7.3.5 Stabwerkmodelle 107 7.3.6 Teilflächenbelastung und Einleitung konzentrierter Lasten 107 7.3.7 Nachweis gegen Ermüdung 107
7.4 Nachweise in den Grenzzuständen der Gebrauchstauglichkeit.. 108
5
Seile
7.4.1 Begrenzung der Spannungen 108 7.4.2 Begrenzung der Rissbreiten und Nachweis der Dekompression 108 7.4.3 Begrenzung der Verformungen 108
7.5 Literatur zum Abschnitt 7 108
8 Zusammenfassung und Forschungsbedarf 111 8.1 Allgemeines 111
8.2 Umfang und Inhalt des DFG-Schwerpunktprogrammes "Nachhaltiges Bauen mit ultrahochfestem Beton" 111
8.3 Zusammenfassungen der Arbeitsberichte über die Projekte der ersten Förderperiode 2005-2007 114
8.3.1 Werkstoffverhalten von ultrahochfestem Beton im frühen Alter (Prof. Dr.-Ing. H. Budelmann, Dr.-lng. M. Krauß, TU Braunschweig) 114
8.3.2 Versuchstechnische Ermittlung und mathematische Beschreibung der mehraxialen Festigkeit von ultrahochfestem Beton (UHFB) (Prof. Dr.-Ing. M. Curbach, TU Dresden) ........ 114
8.3.3 Zum Tragverhalten von UHFB mit Kombination aus Faser- und Stabstahlbewehrung unter Zugbeanspruchung (Prof. Dr.-Ing. E. Fehling, Universität Kassel) 115
8.3.4 Beständigkeit von UHFB gegenüber chemischem Angriff (Prof. Dr.-Ing. L. Franke, Dr.-Ing. G. Deckelmann, TU Hamburg-Harburg) 116
8.3.5 Erhöhung der Duktilität von UHFB durch die Kombination von Fasern und nanoskalierten Partikeln (Prof. Dr.-Ing. P. Grübl, Dr. rer. nat. O. Kroggel, Prof. Dr. rer. nat. J. J. Schneider, TU Darmstadt) ......116
8.3.6 Ermüdung von UHFB unter ein- und mehraxialer Beanspruchung (Prof. Dr.-Ing. J. Grünberg, Prof. Dr.-Ing. L. Lohaus, Leibniz-Universität Hannover) 117
8.3.7 Vorgespannte Träger mit und ohne Stegöffnungen aus ultrahochfestem Beton (Prof. Dr.-Ing. J. Hegger, RWTH Aachen) 117
8.3.8 Zur Wirkungsweise von Verbundmitteln in Verbundkonstruktionen aus ultrahochfestem Beton (Prof. Dr.-Ing. habil. N. V. Tue, Prof. Dr.-Ing. J. Hegger, Universität Leipzig, RWTH Aachen) ..... 117
8.3.9 Betone mit verminderten Gehalten an energieintensiven Bindemitteln (Prof. Dr.-Ing. D. Heinz, TU München) 118
8.3.10 Charakterisierung der UHFB Mikrostruktur in Abhängigkeit von der stofflichen Zusammensetzung und deren Einfluss auf die Verarbeitbarkeit und Dauerhaftigkeit (Dr. rer. nat. B. Möser, Bauhaus-Universität Weimar) 119
8.3.11 Materialgesetze für das Spannungs-Dehnungs-Zeitverhalten von ultrahochfestem Beton (Prof. Dr.-Ing. H. Müller, Universität Karlsruhe) 120
8.3.12 Ermüdungsverhalten von ultrahochfestem Beton bei zyklischen Beanspruchungen im Druck-Zug-Wechselbereich (Dr.-Ing. R. Niedermeier, TU München) 120
8.3.13 Schwindreduzierende Fließmittel für ultrahochfesten Beton (Prof. Dr. J. Plank, TU München) 121
8.3.14 Untersuchungen zum Frost-/Frost-Taumittel-Widerstand, dem autogenen Schwinden und der Gefügestruktur von UHFB (Prof. Dr. rer. nat. Dr.-Ing. J. Setzer, Universität Duisburg-Essen) 121
8.3.15 Optimierung des Mischprozesses ultrahochfester Betone (Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E .h. P. SchießI, TU München) 122
8.3.16 Nachhaltigkeitsanalyse von UHFB mit Hilfe von Sachbilanz und Wirkungsabschätzung (Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E. h. P. SchießI, TU München) 122
8.3.17 Einfluss der Kornform von Feinststoffen auf die Packungsdichte und das rheologische Verhalten von UHFB (Prof. Dr.-Ing. habil. M. Schmidt, Universität Kassel) 123
8.3.18 Selbstverdichtender ultrahochfester Beton mit neuartiger Mikrobewehrung (Prof. Dr.-Ing. M. Schnellenbach-Held, Prof. Dr.-Ing. W. Buschmeyer, Universität Duisburg-Essen) 123
8.3.19 Gefährdungspotenzial für ultrahochfesten Beton durch Rissbildung im Hinblick auf die Dauerhaftigkeit (Dr.-Ing. Ch. Müller, Forschungsinstitut der Zementindustrie, Düsseldorf) 124
8.3.20 Untersuchungen zum Trag- und Verformungsverhalten von hochbeanspruchten Druckgliedern aus ultrahochfestem Faserbeton (UHPFRC) mit hochfester Längsbewehrung (Dr.-Ing. M. Teutsch, Prof. Dr.-Ing. H. Falkner, TU Braunschweig) 125
8.3.21 Fügen von Bautei,len aus ultrahochfestem Beton (UHFB) durch Verkleben (Prof. Dr.-Ing. K. blch, TU München) 126
6