V-I.11 Carbonbetonstab

Prüfkörper nach Auszugsversuch 25mm, (Foto © Kai Zernsdorf)

Brückenkappen aus Beton bilden in der Querschnittsaufteilung den Schrammbordbereich und sichern zusammen mit Schutzeinrichtungen den Verkehrsraum. Daneben dienen Brückenkappen dem Schutz der tragenden Brückenkonstruktion vor Umwelteinwirkungen und beherbergen mitunter auch Fahrrad- und Gehwege. Aufgrund der exponierten Lage und den intensiven Beanspruchungen gelten diese als Verschleißteil und werden in der Nutzungsdauer einer Brücke bislang mehrfach erneuert. Maßgeblich hierfür ist die Diskrepanz zwischen dem Frostwiderstand des Betons und der Rissbreitenbeschränkung. Durch Carbonbewehrung können diese Schwachstellen entschärft und somit dauerhaftere und wirtschaftlichere Bauteile hergestellt werden.

In den langgestreckten, fugenlosen Bauteilen bauen sich durch Verformungsbehinderungen infolge hygrischer und thermischer Verhältnisse Zwangsspannungen auf, die über kurz oder lang zu einer Rissbildung in Querrichtung führen. Zur Begrenzung einer schadensinduzierenden Rissbreite ist in den Kappen eine entsprechend hohe Längsbewehrung vorgesehen. Um die Bewehrung nicht zu sehr anwachsen zu lassen, wird der Beton in seiner Festigkeit nach oben begrenzt, wodurch feiner verteilte Risse entstehen. Entgegen den Regelungen für einen Beton in der Expositionsklasse XF4 soll der Kappenbeton nach den ZTV-ING lediglich der Druckfestigkeitsklasse C25/30 entsprechen. Gleichzeitig können im Winter Frost und Taumittel auf den Beton einwirken, weswegen neben einem wirksamen Mikroluftporensystem ein möglichst niedriger w/z-Wert angestrebt wird. Bei Brückenkappen wird i. d. R. ein höchstzulässiger w/z-Wert von 0,50 angesetzt, um die Betonfestigkeit aus den o. g. Gründen gering zu halten. Aufgrund dieser ambivalenten Herangehensweise kommt es bei Brückenkappen in der Praxis immer wieder zu Frostabwitterungen an der Betonoberfläche, was sich nachteilig auf die Nutzungsdauer auswirkt.

Der beschriebene Spagat aus Rissbreitenbeschränkung und Frost-Taumittelwiderstand könnte mit einer Carbonbewehrung signifikant entschärft werden. Durch die gegenüber einer herkömmlichen Stahlbewehrung deutlich höhere Festigkeit der Carbonbewehrung ließe sich in einer Brückenkappe einerseits eine erheblich wirksamere Bewehrungsmenge unterbringen. Zudem kann die korrosionsunempfindliche Carbonbewehrung mit deutlich reduzierter Betonüberdeckung eingebaut werden, wodurch Risse noch effektiver in ihrer Breite begrenzt werden. In Kombination mit einer angepassten Betonzusammensetzung respektive einem reduzierten w/z-Wert und gleichsam steigender Festigkeit kann somit ein dauerhaftes Bauteil hergestellt werden. Eine besondere Herausforderung stellt hierbei die Optimierung des Verbundes zwischen dem Kappenbeton und der Carbonbewehrung dar. Zusammenfassend war das Ziel dieses Projektes daher, die Grundlagen für den Einsatz einer Carbonbewehrung für Brückenkappen zu erarbeiten.

Schematische Darstellung des Carbonbetonstabes (Darstellung © Sebastian Ortlepp)

Die Verwendung einer Carbonbewehrung bietet das Potential, die bisherigen Schwachstellen in Brückenkappen weitgehend zu entschärfen und damit erheblich dauerhaftere Bauteile herzustellen. Die gewonnenen Erkenntnisse, wie beispielsweise die notwendige Verankerungslänge im Kappenbeton oder eine ausreichende Betonüberdeckung bei einem Frost-Tausalz-Angriff, dienen dabei als Grundlage für die in Ingenieurbüros durchgeführte Planung und Berechnung von Brückenkappen aus Carbonbeton. Gerade vor dem Hintergrund der in den nächsten Jahren anstehenden umfangreichen Instandsetzungs- und Ertüchtigungsmaßnahmen an Straßenbrücken in ganz Deutschland liegt es nahe, kurzfristig ein innovatives Verbundsystem für die Baupraxis bereitzustellen. Gleichzeitig können die Erkenntnisse dieses Forschungsvorhabens auch auf andere Anwendungsfelder übertragen werden, bei welchen eine effektive Beschränkung der Rissbreiten erforderlich ist. Dies betrifft beispielsweise Parkdecks, Industrieböden, Siloanlagen, Bauwerke im Wasserbau, Abwasseranlagen, Tunnelinnenschalen oder Spritzbetonkonstruktionen.

Verbundkoordinator
Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden

Vorhabenleiter
Prof. Thomas Bösche

Ansprechpartner

Prof. Dr.-Ing. habil. Sebastian Ortlepp
+49 30 50 19 38 96
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Kai Zernsdorf, M. Sc.
+49 351 / 4 62 20 82
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Beteiligte C³-Partner

  1. Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden

Laufzeit: 01.01.2017 – 31.12.2017