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1 Einleitung

In der seit Jahrzehnten erfolgten Weiterent-wicklung der Spannbetonschwellen sind die Anforderung und die Gütenachweise in enger Zusammenarbeit der Deutschen Bahn  AG (DB  AG) und der Schwellen-hersteller überprüft, aktualisiert und den Beanspruchungen der Schwellen im Gleis angepasst worden. Eine konstruktive Zusammenarbeit der Be-teiligten vor der Anpassung / Fortschreibung von Richtlinien ist aus technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten von Vor-teil. Nachfolgend werden diejenigen neuen An-forderungen der DBS 918143 ab Januar 2012 [1], die sich auf den Zement, den Be-ton oder den Herstellungsprozess beziehen, zunächst vorgestellt und aus dem Blick-winkel eines Schwellenherstellers erläutert. Anschließend werden die Untersuchungen zur Umsetzung der neuen Anforderungen an den Beton beschrieben und ergänzend die Auswirkungen der Änderungen auf die Betoneigenschaften im Vergleich zu den bis-her erreichten Kennwerten betrachtet.Ziel des Beitrags ist es, mit Hinweisen auf technisch begründete und wirtschaftlich vertretbare Lösungen zur Vermeidung von Erschwernissen beizutragen, deren Realisie-

rung keinen Verbesserungseffekt in Aussicht stellt. Weiterhin soll der Artikel als ein Aufruf zur Wiederaufnahme des Dialogs zwischen Eisenbahninfrastrukturbetreibern, Wissenschaft und Hersteller verstanden werden. Als Gründungsmitglied des „Be-tonschwellenindustrie e. V.“ hat die Dur-track  GmbH einen ersten Schritt in Rich-tung eines aktiven Austauschs getan.

2 Neue Anforderungen der technischen Lieferbedingungen und Anmerkungen aus Herstellersicht

2.1 Anforderungen an den Zement• Zementart: Portlandzement, CEM I,• Festigkeitsklasse: frei (gemäß DIN EN

13230-1:2009-10 [2] ≥ 42,5),• Klasse der Anfangsfestigkeit: N,• Sulfatgehalt als SO3: max. 3,0 M.-%,• Alkaliäquivalent: max. 0,80 M.-%.

2.1.1 Begrenzung des Sulfatgehalts Nach der Zementnorm DIN EN 197-1:2000 + A1:2004 (D) [3], Tabelle 3 – Chemische Anforderungen –, definiert als charakte-ristische Werte, wird für Zemente, die bei der Herstellung von Spannbetonschwellen eingesetzt werden, ein Sulfatgehalt (als SO3) ≤ 4,0 M.-% gefordert.Unabhängig von diesem maximal zuläs-sigen Wert werden allerdings bereits seit Jahren für die Herstellung von Spannbe-tonschwellen Zemente eingesetzt, die der jetzt gemäß DB-Standard (DBS) 918 143, 1. Januar 2012 [1], geforderten Obergrenze des SO3-Gehalts nahe kommen, weil sich

Dipl.-Ing. Markus Mildner Dipl.-Ing. Wolfgang Puntke

Dipl.-Ing. Jörg-Christian Schiwek alle Durtrack GmbH, Möllenhagen

Neue technische Lieferbedingungen der DB AG für Spannbetonschwellen

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• die Druckfestigkeiten der „N“-Zemente nach einem Tag, die für die Schwellen-produktion entscheidend sind, in der Regel (nach Norm) nicht geprüft wer-den;

• einige angesprochene Zementwerke sich erst mit der Realisierbarkeit und Entwicklung von Zementen nach den neuen DB-Anforderungen und den Er-fordernissen der Spannbetonschwellen-fertigung befassen mussten und schließ-lich;

• werkseigene technische und wirtschaftli-che Bewertungen der lieferbaren „N“-Ze-mente umfangreiche und zeitaufwendige Vergleichsuntersuchungen erforderten.

2.1.4 Fazit zu den Anforderungen an den ZementMit der Begrenzung des Sulfatgehalts und des Alkaliäquivalents hat die DB  AG die Bereitschaft der Zementhersteller gefördert, die Forderungen der Schwellenhersteller nach mäßigen Werten zu realisieren.Hinsichtlich der Forderung, Zement der Anfangsfestigkeitsklasse „N“ zu verwenden, hätte der erforderliche Untersuchungsauf-wand durch eine Abstimmung mit den Schwellenherstellern vermieden werden können.

2.2 Anforderungen an den Beton• Nachzuweisen ist die Einhaltung der

Gesamtmasse der reaktiven Alkalien im Beton, Na2O-Äquivalent ≤ 3,0 kg/m³ und

• max. Betondruckfestigkeit im Prüfalter von 28 Tagen ≤ 95 N/mm². Das 84-%-Quantil der je Monat ermit-telten Würfeldruckfestigkeiten darf 95 N/mm² nicht überschreiten: ƒc, cube, 28d, 84 % = ƒcm, cube, 28d, monatl. + 84 % · s ≤ 95 N/mm² mit

• 84 % = 1,0 ƒcm, cube, 28d, monatl. = monatlicher Mittel-wert der 28-Tage-Würfeldruckfestigkeit s = vorhandene monatliche Standardab-weichung, mindestens aber 3,0 N/mm²

ein niedriger SO3-Gehalt günstig auf die Einhaltung der geforderten Obergrenze der Betontemperatur auswirkt.Bemerkenswert ist, dass die Begrenzung des SO3-Gehalts auf ≤ 3,0  Gew.-% nicht neu ist. Bereits 1958 (DIN 1164, Dezem-ber 1958 [4]) durfte dieser Wert nicht überschritten werden. Erst mit DIN 1164, Juni 1970, Blatt 1, [5] wurde bei Portland-zementen mit einer spezifischen Oberfläche über 4000 cm²/g der zulässige SO3-Gehalt auf die gegenwärtig genormte Obergrenze ≤ 4,0 Gew.-% erhöht.

2.1.2 Begrenzung des AlkaligehaltsDie Begrenzung des Alkaligehalts Na2O-Äquivalent ≤ 0,80 M.-% entspricht der Alka-li-Richtlinie des Deutschen Ausschusses für Stahlbeton (DAfStb), Ausgabe Februar 2007 [6], Teil 3, Tabelle 3-4 der Feuchtigkeitsklas-se WS. Sie ist realisierbar und dürfte inzwi-schen bei den für die Schwellenherstellung eingesetzten Zementen die Regel sein.

2.1.3 Verwendung von Zement der Anfangsfestigkeitsklasse „N“Diese Forderung warf vielfältige Fragen auf, weil überwiegend Zemente CEM I 52,5 „R“ verwendet wurden und die verfügbaren Be-urteilungskriterien der marktüblichen „N“-Zemente für eine vergleichende Bewertung nicht ausreichten. Die Bezeichnung CEM I … N lässt lediglich erkennen, dass ein Portlandzement mit „üblicher“ Anfangs-festigkeit verlangt wird, der nach DIN EN 197-1:2000 + A1:2004 (D) [3], Abs. 7.1.2 mit „N“ gekennzeichnet wird. Was üblich ist, kann Tabelle 2 dieser Norm entnommen werden:Die geforderten Anfangsfestigkeiten der Festigkeitsklasse 52,5 betragen nach zwei Tagen:• bei den „N“-Zementen ≥ 20 N/mm² und• bei den „R“-Zementen ≥ 30 N/mm².Ein Vergleich der lieferbaren „N“-Zemente mit den bisher verwendeten „R“-Zementen war kurzfristig nicht möglich, weil z. B.:

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betrug das 99-%-Quantil bisher maximal 103,5  N/mm². Es ist daher fraglich, ob die geforderte Begrenzung der 28-Tage-Festigkeit den angestrebten Zweck erfüllen wird und den erforderlichen Umstellungs-, Untersu-chungs- und Nachweisaufwand rechtfertigt.

2.3 Anforderungen an den Produktionsprozess• Betontemperatur im Schwellenkern wäh-

rend der Vorlagerung nach drei Stunden max. 30 °C und nach vier Stunden max. 40 °C,

• Vorspannzeitpunkt frühestens 24  Stun-den nach Verdichtung des Frischbetons,

• Betontemperatur im Schwellenkern wäh-rend der Erhärtung ≤ 50 °C.

2.3.1 Betontemperatur im Schwellenkern während der Vorlagerung Die bisher geforderten Bedingungen• drei Stunden nach dem Verdichten des

Betons max. 30 °C oder (alternativ),• vier Stunden nach dem Verdichten des

Betons max. 40 °C im Schwellenkernentsprechen nach wie vor dem Stand der Technik gemäß der Richtlinie zur Wärme-behandlung von Beton des Deutschen Aus-schusses für Stahlbeton (DAfStb), Fassung 1989, Tabelle 1.Die Alternative der geforderten Bedingung „oder 40 °C nach vier Stunden“ wurde in die Festlegungen der Richtlinie aufgenom-men, weil eine Betontemperatur ≤ 40 °C während der Vorlagerung bis vier Stunden einen sicheren Reaktionsverlauf und damit die Dauerhaftigkeit des Betons mit gro-ßem Vorhaltemaß gewährleistet. Die „und“-Forderung ist technisch unbegründet und im Hinblick auf eine Qualitätsverbesse-rung unwirksam. Sie ist darüber hinaus bei hochsommerlichen Temperaturen nur mit großem Aufwand realisierbar und löst ein erhebliches Risiko hinsichtlich einer Ein-stellung der Produktion aus. Hinzu kommt, dass die Überschreitung der 30 °C-Grenze im Schwellenkern erst nach der Herstellung der Schwellen festgestellt werden kann und

2.2.1 Nachweis der Einhaltung der Gesamt-masse der reaktiven Alkalien im BetonFür die Gesamtmasse der reaktiven Alkalien pro m³ Beton ist der Alkaligehalt der Poren-lösung im Beton maßgebend. Dieser ergibt sich aus der Summe der Alkaligehalte des Zements und gegebenenfalls eines verwen-deten Zusatzmittels.Nach dem Stand der Technik war das Risiko einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion bereits mit den Anforderungen früherer Fassungen des DBS 918 143, Verwendung alkaliunempfind-licher Gesteinskörnungen und Gesamtmas-se reaktiver Alkalien im Beton ≤ 3,5 kg/m³, mit den verfügbaren Zementen und Zu-satzmitteln sowie mit den üblicherweise verwendeten Zement- und Zusatzmittelge-halten ausgeschlossen. Alkali-Kieselsäure-Reaktionen sind im DB-Netz seit Jahrzehn-ten nicht mehr aufgetreten.Die auf ≤ 3,0 kg/m³ reduzierte Gesamtmasse reaktiver Alkalien im Beton ist für die Her-stellung von Spannbetonschwellen mit hin-reichenden Vorhaltemaßen erfüllbar und daher akzeptabel.

2.2.2 Betondruckfestigkeit im Prüfalter von 28 Tagen ≤ 95 N/mm²Die Vorstellung, das Rissrisiko an Spannbe-tonschwellen durch Begrenzung der Druck-festigkeit reduzieren zu können, wird seit Jahrzehnten diskutiert. Begründete Belege gibt es bisher, insbesondere wegen der viel-fältig möglichen Rissursachen, nicht.Bei Annahme der für hochfesten Beton ge-mäß DIN 1045-2:2008-08 [7], Abs. 8.2.1.3 – Konformitätskriterien für die Druckfestig-keit – anzusetzende Standardabweichung ≥ 5 N/mm² ergibt sich der monatliche Mit-telwert zu:fcm, cube, 28d, monatl. = 95 – 1,0 · 5 = 90 N/mm²

Danach kann das 99-%-Quantil betragen:fcm, cube, 28d, 99%, monatl. = 90 + 2,3 · 5 =

101,5 N/mm²

Nach eigenen langjährigen Aufzeichnungen

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Abb.  1 zeigt beispielhaft die Ermittlung des technisch begründeten Zeitpunkts für die Einleitung der Vorspannkraft unter Produktionsbedingungen ohne Wärmebe-handlung. Bei dem gewählten frühesten Umspannzeitpunkt von 16  Stunden steht zwischen dem geforderten Mindestwert von 48 N/mm² und dem erzielten 1 %-Quantil ein Vorhaltemaß von 5,7 N/mm² entspre-chend 11,9 % zur Verfügung. Der erzielte Mittelwert deckt den geforderten Mindest-Mittelwert mit einem Vorhaltemaß von 5,6 N/mm² entsprechend 10,2 % ab.Abb. 2 zeigt ergänzend die Ergebnisse einer Untersuchungsreihe der Gesellschaft zur Förderung der Spannbetonschwelle (GFS) im Rahmen des Arbeitskreises „Optimie-rung des Schwellenbetons“ aus dem Jahr 2001, die in [9] veröffentlicht wurden. Dar-gestellt sind die Vorspannfestigkeiten von zehn beteiligten Schwellenwerken in Ab-hängigkeit von dem mittleren Umspann-zeitpunkt der Prüfalterklassen.Man erkennt, dass bei mittleren Vorspann-zeiten von 15 bis 26 Stunden und den werk-

somit die gesamte Produktionscharge rück-wirkend als Ausschuss zu bewerten wäre.

2.3.2 Vorspannzeitpunkt nach Verdichtung des FrischbetonsVoraussetzung für den richtigen Vorspann-zeitpunkt ist, dass der verwendete Beton unter den werkspezifischen Produktions-bedingungen die für die Einleitung der jeweiligen Vorspannkraft erforderliche Fes-tigkeit nicht unterschreitet. Die DB-Liefer-bedingungen, DBS 918 143, fordern ei-ne Mindestfestigkeit zum Zeitpunkt des Vorspannens von fci, cube, v  =  48  N/mm². Ergänzend wird inzwischen ein Vorhalte-maß gefordert, das dem 1 %-Quantil bei der tatsächlichen Standardabweichung s, min-destens aber 3,0 N/mm² entspricht.Unter Berücksichtigung dieser Forderung ergibt sich die einzuhaltende mittlere Wür-feldruckfestigkeit zum Zeitpunkt der Spann-kraftübertragung von mindestensfcm, cube, v = fci, cube, min + 1% · s

= 48 + 2,3 · 3,0 = 54,9 N/mm² ≈ 55 N/mm².

Abb. 1: Ermittlung des Zeitpunktes zur Einleitung der Vorspannkraft

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Schwellenkern von 55 °C auf 50 °C ohne Bedeutung. Maßgebend ist die Einhaltung der Bedingung „Betonkerntemperatur nach vier Stunden ≤ 40 °C“.Ein technischer Vorteil, die Schwellenkern-temperatur zusätzlich zu reduzieren, ist nicht zu erkennen. Dem stehen erhebliche Nachteile gegenüber im Hinblick auf• technische und wirtschaftliche Realisier-

barkeit,• zusätzliche Ausstattung der Fertigungs-

einrichtungen zur Beherrschung der Ver-schärfung der Frischbeton- und Lage-rungstemperaturen sowie

• das Ausschussrisiko bei hochsommer-lichen Temperaturen. (Messergebnisse liegen erst nach der Herstellung der Schwellen vor, so dass bei Überschrei-tung der 50 °C-Grenze die gesamte Fer-tigungscharge verworfen werden müss-te.)

2.3.4 Fazit zu den neuen Anforderungen an den ProduktionsprozessDie Verschärfungen der Temperaturbegren-

spezifischen Produktionsunterschieden das Festigkeitsniveau gleich blieb. Das bedeutet, dass die Werke ihre Vorspannzeiten der Fes-tigkeitsentwicklung ihres Betons mit mehr oder weniger großen Vorhaltemaßen ange-passt haben sowie, dass durch Verlängerung der Vorspannzeiten kein qualitätsverbes-serndes Festigkeitsniveau erreicht wird.Mit anderem Beton und unter anderen Produktionsbedingungen schließt die Festlegung des Umspannzeitpunktes auf ≥ 24 Stunden eine Unterschreitung der Min-destfestigkeit nicht aus. Für den Vorspann-zeitpunkt ist allein die unter den Produk-tionsbedingungen gewährleistete Festigkeit des Betons maßgebend.

2.3.3 Betontemperatur im Schwellenkern während der ErhärtungDie DIN EN 13230-1:2009-10 [2] gibt bei dem jetzt geforderten SO3-Gehalt des Ze-ments ≤ 3,0 M.-% während der Erhärtungs-phase eine maximale Betontemperatur von 55 °C vor. Mineralogisch ist die Sen-kung der maximalen Betontemperatur im

Abb. 2: Vorspannfestigkeiten von zehn deutschen Schwellenwerken in Abhängigkeit vom mittleren Vorspann-zeitpunkt

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nis, Bedingungen zu akzeptieren, die diese Voraussetzungen nicht erfüllen.Die verbindlichen Vorgaben des Auftrag-gebers DB  AG erforderten die folgenden Untersuchungen zur Umsetzung der neuen Anforderungen.

3 Erkundung geeigneter Zemente

3.1 Handelsübliche ZementeUm Aufschluss über das Leistungsspektrum handelsüblicher, zugelassener Zemente zu erhalten, wurden zunächst die relevanten Merkmale von 15  Zementen anhand der Herstellerangaben ausgewertet:Die Ergebnisse (charakteristische Werte) sind in den Abb.  3, 4 und 5 dargestellt. Zum Vergleich sind auch die Daten des bisher eingesetzten Zementes X 52,5 R  angegeben.Die SO3-Gehalte und die Na2O-Äquivalente in Abb.  3 zeigen, dass der geforderte SO3-Gehalt in den vorgelegten Quartalszeugnis-sen nur von einem „N“-Zement und drei „R“-Zementen überschritten wurde und das geforderte Na2O-Äquivatent von allen un-

zungen sind technisch unbegründet und stellen erhebliche Erschwernisse dar. Die Vorgabe des frühesten Vorspannzeitpunktes lässt keinen technischen Vorteil erkennen, weil nach wie vor die erzielte Festigkeit für den Zeitpunkt der Einleitung der Vorspann-kraft maßgebend ist.

2.3.5 Schlussfolgerungen zu den neuen AnforderungenMit den Änderungen ab 1. Januar 2012 wer-den sinnvolle, aber auch fragwürdige und klärungsbedürftige Forderungen gestellt. Die erkennbare Tendenz der Änderungen, möglichst viele Eigenschaften auf schwieri-ger erfüllbare Grenzwerte zu ändern, kann kaum zum Optimum führen.Grundsätzlich müssen alle vertraglich ver-bindlichen Regelungen wissenschaftlich begründet, unter Produktionsbedingungen realisierbar und praktisch erprobt sein, be-vor sie im größeren Umfang umgesetzt werden. Dies ist insbesondere für Spann-betonschwellen zu fordern. Es widerspricht verantwortungsvollem Qualitätsverständ-

Abb. 3: SO3-Gehalte und Na2O-Äquivalente der erfassten handelsüblichen Portlandzemente

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gehalten werden. Die dargestellten Werte der handelsüblichen Zemente entsprechen jeweils den vorgelegten Daten eines Quar-tals. Da die insgesamt auftretenden Schwan-

tersuchten Zementen eingehalten wurde, einige aber den Grenzwert erreichten.Im Hinblick auf mögliche Schwankungen müssen ausreichende Vorhaltemaße ein-

Abb. 4: Mahlfeinheit nach Blaine und Wasseranspruch nach Vicat handelsüblicher Portlandzemente

Abb. 5: Prismendruckfestigkeiten handelsüblicher Portlandzemente gemäß [10]

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Grenzwerte auszuschließen, müssen die spezifischen Streubreiten des verwendeten Zements abgedeckt werden. Diese Bedin-gung ist bei der Auswahl des Zements in enger Zusammenarbeit mit dem Zement-Lieferwerk zu berücksichtigen.Die in Abb. 4 dargestellten Mahlfeinheiten und Wasseransprüche sowie die in Abb.  5 dargestellten Normdruckfestigkeiten geben einen Überblick über die Größenordnung dieser Kennwerte bei den erfassten Zement-sorten.Von den 15 handelsüblichen Zementen wurden die Zemente E 52,5 N  und F 52,5 N  sowie der Q 52,5 R  für ergänzende labor-technische Untersuchungen ausgewählt.

3.2 Labortechnische Untersuchungen der ausgewählten Zemente

3.2.1 Festigkeitsentwicklung der handelsüblichen ZementeUm weitere Aufschlüsse über die Druck-festigkeiten der ausgewählten Zemente zu erhalten, wurden die drei handelsüb-lichen Zemente und zum Vergleich auch

kungsbreiten nicht bekannt sind, können sich Abweichungen ergeben, so dass die Einhaltung der geforderten maximal zuläs-sigen Grenzwerte nicht sicher ist. Von dem seit 2003 eingesetzten X 52,5 R  liegen die Quartalsdaten des Zementherstellers vor, so dass sich die Schwankungsbreite der SO3-Werte und der Na2O-Äquivalentwerte je Quartal auswerten lässt. Im Verlauf von acht  Jahren ergaben sich folgende Schwan-kungsbreiten der Quartalswerte:• Des SO3-Gehalts zwischen 2,84 und

3,29 M.-% : Das Mittel betrug 3,09 M.-%, so dass die vertraglich vereinbarte Schwankungsbreite von 3,1 ± 0,2  M.-% befriedigend eingehalten wurde.

• Des Na2O-Äquivalents zwischen 0,655 und 0,754  M.-%: Das Mittel betrug 0,683  M.-%. Der jetzt neu geforderte Maximalwert ≤ 0,80  M.-% wurde da-nach mit rund 0,70 ± 0,05 M.-% einge-halten.

Die Schwankungsbreiten sind in Abb. 3 er-gänzend eingefügt.Um bei der Produktion Überraschungen durch Überschreitungen der geforderten

Abb. 6: Prismendruckfestigkeiten (N1), N2, N7 und N28 handelsüblicher Portlandzemente und des bisher verwendeten Zements gemäß [10]

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Daraus folgt, dass bei Verwendung der „N“-Zemente und Einhaltung der geforderten 28-Tage-Festigkeitsbegrenzung eine um rund 20 % geringere 24-Stunden-Festigkeit erwartet werden muss. Eine Anhebung der 24-Stunden-Festigkeit durch Reduzierung des Wasserzementwertes ist nicht möglich, weil dann die Begrenzung der 28-Tage-Festigkeit überschritten würde.In Abb.  8 wird darüber hinaus deutlich, dass auch der einbezogene alternative „R“-Zement, bezogen auf die 28-Tage-Festigkeit, gleichermaßen geringere 24-Stunden-Festig-keit ergeben würde wie die „N“-Zemente.Danach kann eine angemessene Vorspann-festigkeit nach 24 Stunden und eine mäßige 28-Tage-Festigkeit nur mit einem Zement erreicht werden, der beide Festigkeits-Bedin-gungen mit einem bestimmten Wasserze-mentwert erfüllt.

3.2.2 Prüfung alternativer ZementeDie vorliegenden Erfahrungen hinsichtlich der chemischen und physikalischen Eigen-schaften des bisher verwendeten Zements X  52,5  R  legten die Anpassung dieses Ze-

der bisher verwendete Zement  (X) gemäß DIN EN 1961:2005-05 [10] untersucht:• E 52,5 N,• F 52,5 N,• Q 52,5 R,• X 52,5 R.In Abb.  6 sind die ermittelten Prismen-Druckfestigkeiten im Prüfalter von einem Tag sowie zwei, sieben und 28  Tagen dar-gestellt. Es fällt auf, dass alle Zemente un-abhängig von der Anfangsfestigkeitsklasse „N“ oder „R“ im Rahmen der Prüfstreuung praktisch gleiche 28-Tage-Festigkeiten er-gaben.Daraus folgt, dass für die Begrenzung der 28-Tage-Festigkeit sowohl bei „N“- als auch bei „R“-Zementen der gleiche Wasserze-mentwert eingehalten werden muss.In Abb.  7 sind die prozentualen Abwei-chungen der Festigkeiten bezogen auf die Festigkeiten des bisher verwendeten „R“-Zementes dargestellt. Bei gleichem Wasser-zementwert und praktisch gleicher 28-Tage-Festigkeit aller Zemente weisen die beiden „N“-Zemente eine um rund 20 % geringere 24-Stunden-Festigkeit auf.

Abb. 7: Prozentuale Abweichung der Prismendruckfestigkeiten der ausgewählten handelsüblichen Portland-zemente nach 1 d und 28 d gemäß [10], bezogen auf den bisher verwendeten Zement

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derung der 28-Tage-Festigkeiten durch die Verwendung von „N“-Zementen aus.Danach waren lediglich der SO3-Gehalt ≤ 3,0 M.-% und die Anfangsfestigkeit so an-

ments an die neuen DBS-Forderungen nahe.Die Feststellung, dass sowohl die „N“ als auch die „R“-Zemente praktisch gleiches 28-Tage-Niveau erreichten, schloss eine Än-

Abb. 9: Entwicklung der Prismendruckfestigkeiten ausgewählter Sonderzemente und des bisher verwende-ten Zements gemäß [10], bezogen auf die 28 d-Normdruckfestigkeit

Abb. 8: Entwicklung der Prismendruckfestigkeiten ausgewählter handelsüblicher Portlandzemente gemäß [10], bezogen auf die 28 d-Normdruckfestigkeit

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zupassen, dass bei unveränderter 28-Tage-Festigkeit die erforderliche Vorspannfestig-keit nach einer Erhärtungsdauer von min-destens 24 Stunden mit einem bestimmten Wasserzementwert erzielt werden kann.Mit diesen Zielen produzierte der Ze-menthersteller die alternativen Zemente L 52,5 N  und K 52,5 N.Die Entwicklung der ermittelten Norm-druckfestigkeiten dieser beiden Zemente und des bisher verwendeten Zements sind in Abb. 9 dargestellt. Während der K 52,5 N  die im Prüfalter von einem Tag angestrebte höhere Druckfestigkeit nicht erreichte, kam der L 52,5 N  der erforderlichen Frühfestig-keit nahe. Er bot sich daher für die weiteren Nachweise an.

3.2.3 Wechselwirkung der Zemente mit verflüssigendem ZusatzmittelVerflüssigende Zusatzmittel (FM) verzögern in der Regel den Reaktionsverlauf. Um eine vermeidbare Verlängerung des Vorspann-zeitpunktes auszuschließen, empfiehlt es sich daher, den Reaktionsverlauf der Ze-mente ohne und mit Zusatzmittel zu prü-fen.Aufgrund der guten Erfahrungen mit dem bisher verwendeten Zusatzmittel sollte es möglichst weiterhin verwendet werden. Es wurde daher geprüft, ob die in die Er-kundung einbezogenen Zemente in Wech-selwirkung mit dem Zusatzmittel außer-gewöhnlich verzögert werden. Zur Beur-teilung wurde der Temperaturverlauf an Zementpasten gemessen. Abb.  10 zeigt, dass der Zement L 52,5 N  im Vergleich zu dem bisher verwendeten Zement X 52,5 R  nur geringfügig später reagierte, während der K 52,5 N eine Stunde länger verzögert wurde.Der L  52,5  N erfüllte somit die neuen Anforderungen der DBS 918 143, Januar 2012 [1], und die für die Schwellenproduk-tion erforderliche Festigkeitsentwicklung. Er wurde für Eignungsnachweise des Betons gewählt.

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Abb. 11: Entwicklung der Würfeldruckfestigkeit der Basisrezeptur mit variablen Wasserzementwerten (0,40 ± 0,03) unter Produktionsbedingungen

Abb. 10: Entwicklung der Hydratationstemperatur von Zementpasten ohne und mit Fließmittel

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muss (DIN 1045-2:2008-08 [7], Anhang F, Tabelle F2.1).Anhand von Tastversuchen mit Betongemi-schen, die mit Ausnahme der Zementsorte, der Wasserzementwerte und der Zusatzmit-telzugabe annähernd der bisher verwende-ten Betonrezeptur mit dem bisher einge-setzten „R“-Zement entsprachen, wurden folgende Merkmale unter Produktionsbe-dingungen gewählt:• Zementgehalt = 325  kg/m³ (inklusive

Schwankungsbreite ≥ 320 kg/m³),• Zusatzmittelzugabe für die Einstellung

der angestrebten Verarbeitbarkeitskonsis-tenz (Vebezeit),

• mittlere Würfeldruckfestigkeit bei Über-tragung der Vorspannkraft ≥ 55 N/mm²

Aus der gemäß DBS  918  143 geforderten Mindestfestigkeit bei Einleitung der Vor-spannkraft fci,  cube,  v  =  48  N/mm² und der mindestens anzunehmenden Standardab-weichung = 3,0  N/mm² ergibt sich die anzustrebende mittlere Vorspannfestigkeit mit dem Schwellenwert = 2,3 für das 1 %-Quantil zu

4. Betonversuche

4.1 Eingrenzung des erforderlichen WasserzementwertesNach Erteilung des EG-Konformitätszertifi-kats für den ausgewählten, den DB-Anfor-derungen angepassten CEM  I  52,5  N war zu klären, welcher Wasserzementwert ein-schließlich der möglichen Schwankungs-breite eingehalten werden muss, um die geforderte Obergrenze der 28-Tage-Würfel-druckfestigkeit nicht zu überschreiten so-wie, welche 24-Stunden-Festigkeit bei die-sem Wasserzementwert erreicht wird und ob sie der geforderten Vorspannfestigkeit genügt und schließlich, welche Zusatzmit-telzugabe erforderlich ist, um die angestreb-te Verarbeitbarkeit zu gewährleisten.Bei der Festlegung des Wasserzementwer-tes und der Zusammensetzung des Betons war darüber hinaus zu beachten, dass der wirksame Wasserzementwert für die gemäß DBS geforderte Expositionsklasse  XD3 auf höchstens 0,45 begrenzt ist und der Ze-mentgehalt mindestens 320 kg/m³ betragen

Abb. 12: Entwicklung der Würfeldruckfestigkeit der gewählten Betonrezeptur und Überwachungsergebnisse des ersten Quartals 2012

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Wert von 0,40 und bei einer Streubreite von ± 0,03 eingehalten. Mit den praxisnahen Standardabweichungen• s = 3 N/mm² bei der Vorspannfestigkeit

und• s = 4 N/mm² bei der 28-Tage-Festigkeitergeben sich• das 1%-Quantil der Vorspannfestigkeit zu

fci, cube, v 24h, 1% = 62 – 2,3 · 3 = 55 N/mm² und das Vorhaltemaß zu 55 – 48 = 7 N/mm² entsprechend 14,6 % sowie

• das 99 %-Quantil der 28-Tage-Festigkeit zu fc, cube, 28d, 99% = 84 + 2,3 · 4 = 93 N/mm² und schließlich

• das 84 %-Quantil der 28-Tage-Festigkeit zu fc, cube, 28d, 84% = 84 + 1,0 · 4 = 88 N/mm² und das Vorhaltemaß zur maximal zuläs-sigen Obergrenze der 28-Tage-Festigkeit 95 – 88 = 7 N/mm² entsprechend 7,4 %.

4.2 Festigkeitsentwicklung der gewählten BetonrezepturAbb.  12 zeigt die Entwicklung der Wür-feldruckfestigkeit bei der Eignungsprüfung sowie die geforderten Grenzwerte.Da für die Berechnung der erzielten Fes-tigkeits-Quantilwerte die tatsächlichen Standardabweichungen unter Produk-tionsbedingungen benötigt werden, sind die Überwachungsergebnisse des ersten Quartals 2012 hinzugefügt. Die unter 4.1 eingegrenzten Größenordnungen der Fes-tigkeiten wurden bei einem mittleren w/z-Wert von 0,41 mit guter Übereinstimmung bestätigt.

5 Vergleich der bis Ende 2011 und der ab Januar 2012 erzielten Betonmerkmale

Nachdem die den neuen Anforderungen des DBS 918 143 [1] ab 2012 entsprechen-de Betonrezeptur im ersten Quartal 2012 verwendet worden war, bot sich an, die Ergebnisse der werkseigenen Produktions-kontrollen (WPK) der bis Ende 2011 mit „R“-Zement und der ab Januar 2012 mit

fcm, cube, v = fci, cube, min + 1% · s = 48 + 2,3 · 3,0 = 54,9 N/mm² ≈ 55 N/mm².

• mittlere Würfeldruckfestigkeit im Prüfal-ter von 28 Tagen ≤ 90 N/mm².

Aus der gemäß DBS  918  143, Januar 2012 [1], geforderten max. zulässigen 28-Ta-ge-Festigkeit fc,  cube,  28d,  84% = 95  N/mm² und der mindestens anzunehmenden Stan-dardabweichung s = 3,0 N/mm² ergibt sich die anzustrebende mittlere 28-Tage-Festig-keit mit dem Schwellenwert  = 1,0 für das 84 %-Quantil zu höchstens fcm, cube, 28d, monatl. ≤ fci, cube, 28d, 84%, monatl. – 84%

· s ≤ 95 – 1,0 · 3,0 = 92 N/mm². Bei Annahme der für hochfesten Beton ge-mäß DIN 1045-2:2008-8 [7], Abs. 8.2.1.3 – Konformitätskriterien für die Druckfestig-keit – anzusetzenden Standardabweichung ≥ 5 N/mm² ergibt sich der monatliche Mit-telwert, der gewählt wurde, zu fcm, cube, 28d, monatl. = 95 – 1,0 · 5 = 90 N/mm².In Abb. 11 ist die Entwicklung der Würfel-druckfestigkeit unter Produktionsbedingun-gen mit variablen Wasserzementwerten dar-gestellt. Die angestrebte Verarbeitbarkeits-konsistenz (Vebezeit) wurde jeweils mit einer dem Wasserzementwert (w/z-Wert) angepassten Zusatzmittelzugabe eingestellt. Die Mittelwerte wurden je Prüfalter aus je-weils drei Einzelwerten berechnet.Aus den Ergebnissen ließen sich folgende Zuordnungen der Wasserzementwerte und Würfeldruckfestigkeiten ableiten:

w/z-Wert Mittlere Vor-spannfestigkeit

nach 24 h bis 27 h[N/mm²]

Mittlere28-Tage- Festigkeit

[N/mm²]

0,43 55 80

0,40 62 84

0,37 67 88

Danach wurde die geforderte mittlere Vor-spannfestigkeit bei einem mittleren w/z-

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Oberbau

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Tab. 1: Vergleich der Betonmerkmale bis Ende 2011 und ab 2012

6 Schlussbetrachtungen

Mit der Vorstellung der neuen Anforde-rungen des DBS 918 143, Januar 2012 [1] und deren Erläuterungen aus der Sicht des Schwellenherstellers wird ein Überblick über die Anforderungen und deren Be-gründung vermittelt. In Übereinstimmung mit den Erläuterungen und aufgrund der Untersuchungsergebnisse lässt sich zusam-menfassen:• Die Anforderungen an den Zement hin-

sichtlich des zulässigen Sulfatgehalts (SO3) und des zulässigen Alkaliäquiva-lentes (Na2O) sind technisch begründet.

• Der geforderte Grenzwert des reaktiven Alkaligehalts im Beton ist realisierbar. Unter Berücksichtigung des höchstzuläs-sigen Alkaligehalts des Zements ergibt

„N“-Zement erzielten Zement- und Beton-merkmale zu vergleichen.Die Daten sind in Tab. 1 zusammengestellt.Die gemäß DBS 918 143, Januar 2012 [1], geforderte Mindest-Vorspannfestigkeit nach 24 Stunden und die maximal zulässige 28-Tage-Festigkeit wurden mit jeweils ak-zeptablen Vorhaltemaßen eingehalten.Das Mittel der 28-Tage-Festigkeit wurde von 95  N/mm² auf 83  N/mm² um 12,6 % ge-senkt. Allerdings führte die Reduzierung der 28-Tage-Festigkeit auch zu einer geringeren Biegezugfestigkeit, deren 1%-Quantil um 7,5 % unter dem Wert des Vorjahres lag.Beachtenswert ist auch, dass der bis Ende 2011 verwendete Beton mit „R“-Zement das seit Januar 2012 geforderte 84 %-Quan-til nur um 4  N/mm² überstieg (Tab.  1, 84 %-Quantil, Spalte 5).

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Bahnanlagen + Instandhaltung

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von 24  Stunden vorzuspannen, sind keine belegbaren technischen Gründe zu erkennen. Um die Tragfähigkeit der Schwellen zu gewährleisten, ist die Be-tonfestigkeit maßgebend, die sich nicht über das Erhärtungsalter allein definie-ren lässt. Zur Ermittlung des angemes-senen Zeitpunktes für die Übertragung der Vorspannkraft empfiehlt sich die in Abb. 1 dargestellte Vorgehensweise.

• Begrenzung der Betontemperatur im Schwellenkern auf max. 30 °C nach drei Stunden und max. 40 °C nach vier Stun-den: Die „und“-Forderung ist mineralo-gisch unbegründet. Die bisher geforderte Bedingung – drei Stunden nach dem Verdichten des Betons max. 30 °C oder (alternativ) – vier Stunden nach dem Verdichten des Betons max. 40 °C entspricht nach wie vor dem Stand der Technik gemäß der Richtlinie zur Wär-mebehandlung von Beton des Deutschen Ausschusses für Stahlbeton (DAfStb), Fassung 1989 [8], Tabelle 1. Die Alternative „oder 40 °C nach 4  h“ wurde in die Festlegungen der Richtlinie aufgenommen, weil eine Betontempera-tur ≤ 40 °C während der Vorlagerung bis 4 Stunden sicheren Reaktionsverlauf und damit die Dauerhaftigkeit des Betons mit großem Vorhaltemaß gewährleistet.

• Betontemperatur im Schwellenkern wäh-rend der Erhärtung ≤ 50 °C: DIN EN 13230-1:2009-10 [2] gibt bei dem jetzt geforderten SO3-Gehalt des Zements ≤ 3,0 M.-% während der Erhär-tungsphase eine maximale Betontempe-ratur von 55 °C vor. Mineralogisch ist die Senkung der maximalen Betontem-peratur im Schwellenkern von 55 °C auf 50 °C ohne Bedeutung. Maßgebend ist die Einhaltung der Bedingung „Beton-kerntemperatur nach 4 h ≤ 40 °C“. Es besteht danach kein Grund, die Schwellenkerntemperatur zusätzlich zu reduzieren. Ein technischer Vorteil ist

sich ohne Verwendung eines Zusatzmit-tels ein maximaler Zementgehalt von 375  kg/m³, der erfahrungsgemäß deut-lich unterschritten werden kann.

• Die geforderte Verwendung eines Port-landzements der Anfangsfestigkeitsklasse „N“ stellt keine wirkliche Beschränkung dar, weil die Auflage nur besagt, dass ein Zement verwendet werden muss, der im Prüfalter von zwei Tagen eine Druckfes-tigkeit von mindestens 20  N/mm² er-reicht. Sie erforderte jedoch umfangreiche Untersuchungen, die schließlich zu dem Ergebnis führten, dass ein für die Schwel-lenproduktion geeigneter Zement zwar nach der Anfangsfestigkeitsklasse benannt werden kann, aber auch die Anfangsfes-tigkeitsklasse eines „R“-Zements erfüllen muss. Ohne die verbindlich geforderte Verwendung eines „N“-Zements hätten alle Schwellenhersteller ihre Betonrezep-turen mit „R“-Zementen unter der Vor-aussetzung beibehalten können, dass der geforderte Sulfatgehalt nicht überschritten wird. Nachdem die Zementhersteller ent-gegen früheren Aussagen kein Problem in der Einstellung des geforderten Sulfatge-halts sahen, hätte sich der Umstellungs-aufwand auf die Anpassung der Zemente beschränken lassen.

• Die geforderte Begrenzung der 28-Tage-Festigkeit auf ≤ 95 N/mm² zwingt unab-hängig von der Anfangsfestigkeitsklasse des Zements zu einer gewissen Anhe-bung des w/z-Werts, weil die für die Schwellenproduktion geeigneten „N“- und „R“-Zemente im Prüfalter von 28 Ta-gen bei gleichem w/z-Wert praktisch glei-ches Festigkeitsniveau erreichen. Damit wirft die Begrenzung der 28-Tage-Festig-keit die Frage auf, ob sich auf diese Wei-se eine Qualitätsverbesserung erreichen lässt, weil infolge des höheren w/z-Werts auch die für das Rissrisiko maßgebende (Biege-) Zugfestigkeit reduziert wird.

• Für die Forderung, die Schwellen frü-hestens nach einer Erhärtungsdauer

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Oberbau

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Oberbau – Gleis- und Weichenschwellen aus Beton – Teil 1: Allgemeine Anforderungen

[3] DIN EN 197-1:2000 + A1:2004 (D) Zement – Teil 1: Zusammensetzung, Anforderung und Konformitäts-kriterien von Normalzement

[4] DIN 1164, Dezember 1958 Portlandzement, Eisen-portlandzement, Hochofenzement

[5] DIN 1164, Juni 1970 Portland-, Eisenportland-, Hochofen- und Traßzement – Blatt 1: Begriffe, Be-standteile, Anforderungen, Lieferung

[6] Deutscher Ausschuss für Stahlbeton, DAfStb-Richt-linie Vorbeugende Maßnahmen gegen schädigende Alkalireaktion im Beton (Alkali-Richtlinie), Februar 2007

[7] DIN 1045-2:2008-08 Tragwerke aus Beton, Stahlbe-ton und Spannbeton – Teil 2: Beton – Festlegung, Eigenschaften, Herstellung, Konformität – anwen-dungsregeln zu DIN EN 206-1

[8] Deutscher Ausschuss für Stahlbeton, Richtlinie zur Wärmebehandlung von Beton, September 1989

[9] Maurer, T.; Puntke, W.; Schimpff, F. H.; Vorderbrück, D.: Spannbetonschwellen für Gleise und Weichen der DB AG – die Zukunft?, 1. Bestandsaufnahme und Folgerungen, ETR – Eisenbahntechnische Rund-schau, 50 (2001), Heft 11

[10] DIN EN 196-1:2005-05 Prüfverfahren für Zement – Teil 1: Bestimmung der Festigkeit

nicht zu erkennen. Die nach dem Stand der Regelwerke geltenden Temperatur-grenzen sind auf der sicheren Seite und sollten nicht verschärft werden, um un-nötige Erschwernisse zu vermeiden.

Grundsätzlich müssen alle vertraglich ver-bindlichen Regelungen wissenschaftlich begründet, unter Produktionsbedingungen realisierbar und praktisch erprobt sein, be-vor sie im größeren Umfang umgesetzt werden. Dies ist insbesondere für Spann-betonschwellen zu fordern. In der Zukunft wäre ein intensiverer Dialog zwischen An-wendern und Industrie wünschenswert, so dass Produktoptimierungen von allen Betei-ligten gemeinsam getragen werden können.

Quellen

[1] DB-Standard 918 143, Januar 2012, Technische Lie-ferbedingungen, Gleis- und Weichenschwellen für Schotteroberbau (Scho) und Feste Fahrbahn (FF)

[2] DIN EN 13230-1:2009-10 Bahnanwendungen –