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Beanspruchung von Betonfahrbahnen mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften von Ober- und Unterbeton unter besonderer Berücksichtigung von Feuchte- und Temperaturänderungen
Kurzfassung einer abgeschlossenen Promotion
Sodeikat, Christian
Fahrbahndecken aus Beton dürfen in Deutschland ein- oder zweischichtig hergestellt werden. Zweischichtig bedeutet, dass Ober- und Unterbeton unterschiedliche Zusammensetzungen haben. Bis vor wenigen Jahren wurden in Deutschland überwiegend 22 cm dicke Betondecken mit 7 cm dickem Oberbeton eingebaut, d.h. rd. 32 % der Betondecke bestehen aus Oberbeton. Künftig soll im Unterbeton bei Grunderneuerungen vermehrt Recyclingzuschlag, der aus der alten Betondecke gewonnen wird, verwendet werden. Der Oberbeton soll, z.B. als Waschbeton oder als hochfester Beton, mit z.T. nur 4 cm Dicke ausgeführt werden, d.h. nur noch rd. 15 bis 18 % der Betondecke würde aus Oberbeton bestehen. Ungeklärt war, ob sich extrem unterschiedliche Eigenschaften von Ober- und Unterbeton, welche aus den neuen Bauweisen resultieren können, insbesondere auch bei sehr dünnen Oberbetonen negativ auf die Dauerhaftigkeit auswirken können. Zunächst war zu klären, welche Schadensmechanismen durch unterschiedliche Eigenschaften von Ober- und Unterbeton, die im Verbund miteinander liegen, hervorgerufen werden können. Laborversuche ergaben, dass auch bei sehr ungünstigem zweischichtigen Aufbau (dichter Oberbeton auf porösem Unterbeton) und ungünstigen Lager- bzw. Witterungsbedingungen (ständige Zufuhr von temperiertem Wasser an der Unterseite, Frost-Tauwechselbeanspruchung an der Oberseite) keine Frostschäden infolge Wasseranreicherung unter dichtem Oberbeton auftreten. Die maßgebende Beanspruchung resultiert deshalb aus den Spannungen welche infolge von Unverträglichkeiten im Verformungsverhalten des Ober- und Unterbetons zweischichtiger Fahrbahndecken entstehen können. Dabei handelt es sich um Verformungen, die durch Feuchteänderungen, d.h. Schwinden und Quellen, durch chemisches Schwinden und infolge von Temperaturänderungen hervorgerufen werden.Bei einschichtigen Betondecken oder Betondecken, bei denen Ober- und Unterbeton gleiche Wärmedehnzahlen ?T aufweisen, führen nur Temperaturgradienten über den Querschnitt zu einem Verwölben (Aufschüsseln bzw. Aufwölben) der Betonfahrbahnplatten. Weisen Ober- und Unterbeton unterschiedliche Wärmedehnzahlen auf, führen auch gleichmäßige Temperaturänderungen über den Querschnitt zu Verwölbungen, ähnlich den Thermobimetallen, die z.B. in der Elektrotechnik als Sicherungen dienen (Thermobimetalleffekt). Da sich Ober- und Unterbeton durch den gegenseitigen Verbund nicht frei verformen können, entstehen horizontale Spannungen. Infolge der Einleitung und Umlenkung der horizontalen Spannungen bzw. Kräfte in den Plattenendbereichen, entstehen im Bereich der Verbundfuge Schubspannungen und Schälspannungen senkrecht zur Verbundfuge. Dieselben Spannungen entstehen auch infolge von chemischem Schwinden (falls Ober- und Unterbeton Unterschiede im chemischen Schwinden nach Größe und/oder der zeitlichen Entwicklung aufweisen) und infolge von oberflächlichem Austrocknungsschwinden. In Laborversuchen sowie mit analytischen und Finite Elemente Berechnungen wurde der Einfluss der Schichtdicken, der Wärmedehnzahlen, der E-Moduln, der Zuschlageigenschaften, der Herstellbedingungen, unterschiedlicher Lagerungs- bzw. Witterungsbedingungen von Betondecken an der Ober- und Unterseite sowie von tages- und jahreszeitlichen Temperaturänderungen auf die entstehenden Verwölbungen und Spannungen im Ober- und Unterbeton zweischichtiger Betonfahrbahndecken untersucht.Die Untersuchungen zeigten, dass sich bei den neuen Bauweisen insbesondere Unterschiede in den feuchte- und temperaturbedingten Verformungen und den daraus resultierenden Spannungen ergeben. Feuchtebedingte Schäden, die ausschließlich auf die Verwendung von RC-Betonzuschlag bzw. Oberbeton mit Waschbetonoberfläche zurückzuführen wären, erscheinen jedoch unwahrscheinlich, sind bislang auch nicht bekannt geworden. Die Reduzierung der Mindestdicke des Oberbetons von 7 auf 4 cm führt nicht zu einer Erhöhung des allgemeinen Spannungsniveaus infolge von Feuchteänderungen bzw. infolge des Thermobimetalleffekts. Bei Oberbetondicken kleiner als 3 cm können im Oberbeton jedoch deutlich höhere Spannungen infolge des Thermobimetalleffekts entstehen. Es wird deshalb vorgeschlagen, bei Betondecken, die unter ungünstigen Witterungsbedingungen hergestellt werden (bei sehr hohen bzw. sehr niedrigen Temperaturen), die Unterschiede der Wärmedehnzahlen von Ober- und Unter-beton auf rd. 0,25·10-5/K zu begrenzen. Dies kann in erster Linie durch sorgfältige Auswahl der Zuschlagstoffe erreicht werden. Bei hochfesten Oberbetonen können durch das große chemische Schwinden des Oberbetons im Vergleich zum Unterbeton im Unterbeton hohe Schälzugspannungen hervorgerufen werden. Es erscheint deshalb sinnvoll, bis mehr Praxiserfahrungen, insbesondere auch über die unterschiedliche zeitliche Entwicklung des chemischen Schwindens von hochfestem Ober- und normalfestem Unterbeton vorliegen, den Wasserbindemittelwert nach unten auf 0,35 bis 0,30 zu begrenzen.
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beton 2/2001 ab Seite 85
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