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