Die spezifischen Eigenschaften des Hochleistungsbetons, wie Festigkeit, Dichtheit, Fließfähigkeit, Duktilität und Dauerhaftigkeit die Themen des 22. Aachener Baustofftags, zu dem das Institut für Bauforschung (RWTH Aachen) unter Leitung von Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Brameshuber Ende Februar eingeladen hatte. Experten aus allen Bereichen des Bauwesens setzten sich mit dem Aspekten von Hochleistungsbeton in Planung, Berechnung und Anwendung auseinander. – Technologie von Hochleistungsbetonen – Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Brameshuber stellte in seinem Einführungsvortrag bisherige Anwendungen von hochfestem Beton in den Festigkeitsklassen B 65 bis B 115 vor und verwies dabei auf Möglichkeiten der Bewehrungseinsparung und Reduktion des Stützenquerschnitts bei der Anwendung von Hochleistungsbeton. Der Einsatz von Steinkohlenflugasche führt neuesten Untersuchungen zufolge zu einer gemäßigten Festigkeitsentwicklung sowie einer Senkung der Hydratationswärme. Mit dem Entwurf der DIN 1045-2 bzw. EN 206-1 wurden erstmals Betone höherer Festigkeitsklassen als B 55 genormt und werden damit künftig für die Anwendung im Spannbeton im Gegensatz zur DAfStb-Richtlinie "Hochfester Beton" geregelt. – "Die hohe Dichtheit von Hochleistungsbeton", so Brameshuber "wird insbesondere bei Bauwerken zum Schutz von Boden und Wasser gegen wassergefährdende Flüssigkeiten genutzt. Durch die höhere Zugfestigkeit im Vergleich zum Normalbeton kann bei größeren Abmessungen der Wannen wirtschaftlicher auf Rissfreiheit bemessen werden, bei mäßiger Vorspannung sind auch große Wannen rissfrei herstellbar". – Aus dem Bereich der Verbundbaustoffe stellte Brameshuber den aktuellen Stand der Forschungsergebnisse zum textilbewehrten Beton vor. Durch Einsatz optimierter Textilien (Gewebe oder Gelege) konnte der wirksame Anteil von Filamenten erheblich erhöht werden, wodurch eine höhere Tragfähigkeit bei deutlich verbesserter Duktilität erzielt wurde. Eingesetzt werden solche textilbewehrten Feinbetone bei sehr dünnwandigen Bauteilen mit bauteilintegrierter Schalung. Unter Berücksichtigung der notwendigen Sicherheitsbeiwerte ist damit eine Stützweite der Schalung von ca. 2 m möglich. Brameshuber verwies auf die Einrichtung des Sonderforschungsbereiches 532 "Textilbewehrter Beton" an der RWTH Aachen, der eine zielgerichtete Erforschung des Verbundbaustoffs und die Verbesserung der schon erkennbaren Vorteile ermöglichen soll. – Zusatzmittel für Hochleistungsbeton – Aus den zur Zeit vom Deutschen Institut für Bautechnik Berlin zugelassenen 413 Betonzusatzmitteln stellte Dr.-Ing. Rolf Bechthold, Woermann Bauchemie, Darmstadt, die wesentlichen Neuentwicklungen vor, ohne die Hochleistungsbeton in seinen vielfältigen Eigenschaften nicht denkbar wäre. Die Frischbetoneigenschaften von hochfestem und selbstverdichtendem Beton werden wesentlich von Betonverflüssigern und Fließmitteln der neuen Generation beeinflußt. Ihre plastifizierende Wirkung basiert auf der "sterischen Abstoßung", die bis in die beginnende Hydratation hinein wirkt. Damit kann in Abhängigkeit von der Art des Zements, der Flugasche, der Temperatur und Mischdauer eine höhere Verflüssigung, der so genannte Depoteffekt und eine längere Wirksamkeitszeit erzielt werden. – Zur Verbesserung des Frost- und Taumittelwiderstandes werden dem Beton Luftporenbildner zugesetzt. Dabei werden sowohl Makroluftporen als auch Mikroluftporen (£ 300 µm) gebildet. Bei Luftporenbildnern der neuen Generation konnte das Verhältnis der Mikroluftporen zu Makroluftporen bei den synthetische Luftporenbildnern zugunsten höherer MiKroluftporenanteile gegenüber den LP-Bildnern auf Wurzelharzbasis verschoben werden. – Für die Verzögerung von Beton werden chemisch wirksame Verzögerer mit einer Wirksamkeitsdauer von bis zu zwölf Stunden eingesetzt. Längere Verzögerungszeiten von Beton sind nach Bechthold nur mit so genannten Langzeitverzögerern möglich, die physikalisch wirken und erst durch erneutes Durchmischen des Betons (Zerstörung der physikalischen wirkenden Eigenschaften) oder durch Überlagern mit frischem, nicht verzögertem Beton unwirksam werden. – Über den Zwischenschritt von alkalireduzierten Beschleunigern konnte die Entwicklung hin zu alkalifreien Beschleunigern für Spritzbeton erfolgreich abgeschlossen werden. Gleichzeitig wurde der Festigkeitsabfall des Betons bei der Verwendung von alkalihaltigen Beschleunigern (pH 14) von bis zu 45 % bei den alkalifreien Beschleunigern (pH 3) auf bis zu 15 % reduziert. – Betonzusatzstoffe – Dipl.-Ing. Udo Wiens, Institut für Bauforschung RWTH Aachen, stellte die Anwendungsgrenzen von Betonzusatzstoffen in den bestehenden und zukünftigen Regelwerken vor. Diese sollen eine ausreichende Alkalitätsreserve (Ca(OH)2) im Beton für den Schutz der Bewehrung vor Korrosion sicherstellen. Wiens dazu: "Unter Zugrundelegung der höchstzulässigen Zugabemengen nach den alten und neuen Regelwerken werden die theoretischen Maximalgehalte von 65 kg/m3 Silicastaub und 300 kg/m3 Flugasche in der bisherigen Baupraxis kaum ausgenutzt (15 kg/m3 bis 45 kg/m3 Silicastaub; 30 kg/m3 bis 120 kg/m3 Flugasche). Unter Berücksichtigung der festgelegten Höchstzugabemengen, die eine Alkalitätsreserve vergleichbar der bei Verwendung von CEM III B sichert, kann Flugasche mit einem k-Wert von 0,4 und Mikrosilica mit einem k-Wert von 1,0 auf den w/z- Wert (w/(z + 0,4 f + 1,0)) angerechnet werden". – Bei verschiedenen Sonderanwendungen, z.B. zur Reduzierung der Hydratationswärme im Bauteil ist nach Wiens jedoch weniger die Überschreitung des zulässigen Anteils an Betonzusatzstoffen als vielmehr die gezielte Unterschreitung der Mindestzementgehalte von Interesse. Dafür gibt es auch in der DIN 1045-2 (7/99) keine herabgesetzten Werte, so dass derartige Anwendungen noch immer der Zustimmung im Einzelfall bedürfen. – Bemessung von Hochleistungsbeton – Die Erhöhung der Druckfestigkeit bei hochfestem Beton erlaubt nach Prof. Dr.-Ing. Josef Hegger, Institut für Massivbau RWTH Aachen, eine wesentliche Einsparung des Anteils der Druckbewehrung sowie die Verminderung der Stützenquerschnitte. Die Erhöhung des E-Moduls führt zu verminderter Duktilität. Im von ihm genannten Beispiel von werkseitig hergestellten Beton-Fertigteilstützen für eine Druckerei in Köln konnte im Vergleich zum vorher geplanten B 55 der erforderliche Bewehrungsgehalt von 6, % auf 1,8 % gesenkt werden. ((welche Festigkeitsklasse kam zur Ausführung?)) – Das schlagartige Abplatzen von hochfestem Beton bei Brandbeanspruchung (erhöhter Dampfdruck infolge höherer Dichtheit des Betons) ist erst ab B 85 zu berücksichtigen. Die Zugabe von Polypropylenfasern (ca. 1 kg/m3 bis 2 kg/m3) habe sich als vorteilhaft erwiesen. Weniger geeignet aufgrund komplizierter Handhabung ist das Aufbringen eines Oberflächenmörtels bzw. das Einfügen einer Brandschutzbewehrung zwischen Bewehrung und Schalung. – Hegger: "Die Zulassung von Hochleistungsbeton für Spannbeton mit nachträglichem Verbund eröffnet die Möglichkeit, neben den konstruktiven Vorteilen auch die sehr hohe Dichtheit und Dauerhaftigkeit dieses Betons für Brückenbauwerke auszunutzen, die einer hohen Umweltbelastung ausgesetzt sind." In Auswertung der ersten zwei Brücken in Deutschland stellte Hegger fest, daß das Verformungsverhalten im Gebrauchslastbereich der Balken aus hochfestem Beton deutlich steifer ist als bei Normalbetonen, die zeitabhängigen Verformungen waren geringer. Unabhängig von der Betondruckfestigkeit zeigten alle Spannbetonbalken ein duktiles Bruchverhalten. – Hegger prognostizierte, dass durch die Verwendung von polymermodifizierten Zementen und eine weitere Reduzierung des Wasserzementwerts, durch feinere Zuschläge (max. 1 mm bis 2 mm), durch Druck- und Hitzebehandlung sowie die Zugabe von Stahlfasern zukünftig, wie in Frankreich bereits realisiert, Betone mit Druckfestigkeiten von 600 N/mm² bis 800 N/mm² hergestellt werden können." – Selbstverdichtender Beton – Die Vorteile von Selbstverdichtendem Beton (SVB) im Bereich der Fertigteilindustrie stellte Prof. Dr.-Ing. Joost Walraven von der Delft University of Technology vor. So können die negativen Nebenwirkungen der Verdichtung von Beton (z. B. hoher Geräuschpegel) vermieden und hohe Sichtbetonqualitäten und hohe Formfreiheit erreicht werden. "Der Effekt der Selbstverdichtung", so Walraven "basiert auf der Ummantelung der Zuschlagkörner mit einem Film in ausreichender Dicke und ausreichend viskoser Konsistenz. Dieser Film setzt sich aus Zement, Wasser, Feinststoffen und Zusatzmitteln zusammen". – Bei Untersuchungen mit SVB an der TU Delft wurde ein in Japan entwickelte Verfahren getestet, durch das bestimmte Volumenanteile von Leim, Sand und Grobzuschlag festgelegt werden. Zur Verbesserung der Viskosität und zur Reduzierung der Neigung zum Bluten und Entmischen wurden gute Erfahrungen mit der Zugabe eines mikrobiologischen Polysacharids gemacht, das bereits bei kleinsten Zugabemengen (0,2 kg/m3 bis 0,5 kg/m3) stabilisierend wirkte. – Die höheren Materialkosten von SVB (ca. 15 % bis 20 %) wurden durch verringerte Arbeitszeiten (z.B. Wegfall von Verdichtung) in etwa ausgeglichen. Walraven geht davon aus, dass bald die Hälfte der Fertigteilprodukte aus SVB hergestellt werden. Laufende Forschungsprojekte gibt es zu den Themen Schalungsdruck, Brandsicherheit, Verbundverhalten, Karbonatisierung und Verringerung der Chloriddiffusion. – Dipl.-Ing. Stephan Uebachs, Institut für Bauforschung RWTH, Aachen, stellte die drei Typen des Selbstverdichtenden Betons vor: – "Mehlkorn-Typ": Stabilität und Fließfähigkeit wird über den Leimgehalt geregelt. – "Stabilisierer-Typ": Fließfähigkeit mit normkonformen Bindemittelgehalten unter Verwendung von Stabilisierern. – "Kombinations-Typ": Hoher Leimgehalt und Verwendung von Stabilisierer – Der "Mehlkorn-Typ" - in seiner Anwendung deutlich stabiler gegenüber Produktionsschwankungen - ist in Deutschland derzeit nur mit Zustimmung im Einzelfall bzw. allgemeiner bauaufsichtlicher Zulassung einsetzbar. Eine noch für das Jahr 2000 geplante Richtlinie des Deutschen Ausschusses für Stahlbeton soll die breite Anwendung des SVB ermöglichen, der durch die Begrenzung des Mehlkorngehalts (550 kg/m3) und des Ausbreitmaßes (voraussichtlich 700 mm) auch durch die DIN 1045-2 nicht abgedeckt sein wird. – Zum Einfluß der Zusatzstoffe im Selbstverdichtenden Beton legte Uebachs erste Ergebnisse vor. Die Reduzierung des Zementgehalts auf praxisübliche Mengen von 270 kg/m3 bis 330 kg/m3 erfordert Zusatzstoffgehalte von 250 kg/m3 bis 350 kg/m3. Es wurden verschiedene Mischungen mit Steinkohlenflugasche (SFA) und Kalksteinmehl (KSM) untersucht. Die Mischungen mit SFA brachte gute Frischbetonergebnisse, führten jedoch erwartungsgemäß zur Erhöhung der Druckfestigkeit. Durch Austausch der SFA gegen KSM gleicher Korngrößenverteilung wurde eine starke Neigung zum Bluten festgestellt. Durch Reduzierung des Wassergehalts, wesentlich höhere Fließmittelmengen sowie Zugabe eines Luftporenbildners konnte das Bluten annähernd ausgeglichen werden, wobei die Viskosität der KSM-Mischung deutlich höher als die der SFA-Mischung war. Die Druckfestigkeiten konnten deutlich gesenkt werden. – Säureresistenter Hochleistungsbeton – Die Bezeichnung "Hochleistungsbeton" sollte nach Prof. Dr.-Ing. Bernd Hillemeier, TU Berlin, mit den jeweils charakteristischen Eigenschaften wie hochfest, selbstverdichtend oder säurebeständig verbunden werden, wie die Vielfalt der derzeitigen Anwendungen verdeutlicht. Der Grundgedanke der Entwicklung eines säurebeständigen Betons für den Kühlturm Niederaussem, der ohne Beschichtung ausgeführt wurde, lag in der Reduzierung des Zementsteinvolumens durch die Ermittlung der dichtesten Packung aller Betonbestandteile. Dazu stellte Hillemeier nach dem von Fuller & Thompson entwickelten Ansatz eine Gesamtsieblinie über alle festen Bestandteile des Betons auf und ermittelte den Bereich der dichtesten Packung. Es ergaben sich theoretisch optimale Mengenanteile bei einer A-Sieblinie im Bindemittel von 10 % Mikrosilika, 20 % Flugasche und 70 % Zement, wodurch der Zementgehalt auf 230 kg/m3 gesenkt wurde. – "Wichtige charakteristische Eigenschaften für die Säurebeständigkeit", so Hillemeier, "sind das unterbrochene 3-D Kalziumhydroxidgefüge sowie eine feste Kontaktzone zwischen Bindemittelmatrix und Flugaschekugeln. Die feste Kontaktzone konnte durch eine gezielt eingestellte Reaktivität der Flugasche erreicht werden." – Das ideale Verhältnis zwischen Portlandzement, Flugasche und Mikrosilika in Bezug auf die feste Kontaktzone wurde mit Silizium 29 als Indikator nachgewiesen. Die so ermittelte Zusammensetzung führt zu einem extrem schwindarmen und hochdichten Beton. – Die infolge der dichtesten Packung hohen Festigkeiten sind durch die Einführung von weniger als 0,4 M-% Mikrohohlkugeln, bezogen auf den Zementgehalt, einstellbar. Im Fall des genannten Betons könnte eine Festigkeitsreduzierung um nahezu 50 % erreicht werden. Der Effekt ist nicht chemischer sondern bruchmechanischer Natur und beeinträchtigt theoretisch weder den Widerstand gegen chemische Angriffe noch die Dichtheit des Betons. Diese Festigkeitsreduzierung birgt laut Hillemeier ein Optimierungspotential, welches die Kosten für die rissbeschränkende Bewehrung reduzieren kann.