SB_00.235Z_09-2_Leseprobe

2009
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Neue konstruktive
Möglichkeiten im
Betonbau durch Kleben
von Bauteilen aus
Ultra-Hochfestem Beton

Neue konstruktive Möglichkeiten im Betonbau
durch Kleben von Bauteilen aus Ultra-Hochfestem
Beton
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 00.235 Z
DVS-Nr.: 08.001
Universität Kassel
Fachgebiet Werkstoffe des Bauwesens und Bauchemie
Institut für Werkstofftechnik Kunststofftechnik
TU Braunschweig
Institut für Füge- und Schweißtechnik
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 00.235 Z / DVS-Nr.: 08.001 der Forschungsvereinigung Schweißen und
verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wurde über die AiF im
Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen
Bundestages gefördert.

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Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
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unter: http://dnb.dnb.de
© 2009 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 2
Bestell-Nr.: 170111
ISBN: 978-3-96870-001-4
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
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Inhaltsverzeichnis 4
Inhaltsverzeichnis
1 FORSCHUNGSTHEMA 6
2 WISSENSCHAFTLICH-TECHNISCHE UND WIRTSCHAFTLICHE
PROBLEMSTELLUNG 6
3 FORSCHUNGSZIEL / ERGEBNISSE / LÖSUNGSWEG 8
3.1 Ausgangsstoffe 8
3.1.1 Substrat UHPC 8
3.1.2 Klebstoffe 11
3.1.2.1 Polyurethan-Klebstoffe 12
3.1.2.2 Epoxydharz-Klebstoffe 13
3.1.2.3 Klebstoff-Screening (Auswahl fünf geeigneter Klebstoffe) (WdBB) 13
3.1.2.4 Thermomechanische Eigenschaften der Klebstoffe (ifs) 15
3.2 Probekörper 18
3.2.1 Geometrie 18
3.2.1.1 Biegezugprismen (WdBB) 18
3.2.1.2 Einschnittig überlappte Druckscherprobe (ifs) 19
3.2.1.3 Spaltproben als Modified Double Cantilever Beam (MDCB) (ifs) 20
3.2.1.4 Klebstoff-Substanzprobe (IfW) 22
3.2.1.4.1 Geometrie und Herstellung 22
3.2.1.5 CTS-Probe (IfW) 23
3.2.1.5.1 Allgemeines 23
3.2.1.5.2 Aufbau der Probenhalterung 29
3.2.1.6 Schubprüfkörper (WdBB) 31
3.3 Probenvorbereitungen 32
3.3.1 Oberflächenvorbehandlungen 32
3.3.1.1 Keine Vorbehandlung (WdBB) 33
3.3.1.2 Sandstrahlen (WdBB) 33
3.3.1.3 Fräsen/Schleifen (WdBB) 33
3.3.1.4 Oberflächenentaktivierer (WdBB) 34
3.3.1.5 Absäuern der UHPC-Oberflächen (ifs) 34
3.3.1.6 Peel-Ply, randschichtnah eingegossenes Abreißmaterial (ifs) 36
3.3.1.7 Trennmittel (ifs) 38
3.3.1.8 Oberflächen mit zusätzlichen Verankerungselementen quer zur Schalungsfläche
(ifs) 42
3.3.1.9 CTS-Probe (IfW) 44
3.3.1.9.1 Probenherstellung 44
3.3.2 Oberflächencharakterisierung (WdBB) 48
3.3.2.1 Keine Vorbehandlung (WdBB) 49
3.3.2.2 Sandstrahlen (WdBB) 49
3.3.2.3 Fräsen/Schleifen (WdBB) 50
3.3.2.4 Oberflächenentaktivierer (WdBB) 50
3.4 Untersuchungen 51
3.4.1 Kurzzeituntersuchungen 51
3.4.1.1 Biegezugversuche (WdBB) 51
3.4.1.1.1 Klebstoffanalyse und –auswahl 51
3.4.1.1.2 Wahl einer geeigneten UHPC-Mischung u. Oberflächenvorbehandlung 57

Inhaltsverzeichnis 5
3.4.1.2 Zugversuche an Klebstoff-Substanzproben (IfW) 65
3.4.1.2.1 Versuchsaufbau 65
3.4.1.2.2 Versuchsprogramm 66
3.4.1.2.3 Ergebnisse 67
3.4.1.3 CTS-Probe (IfW) 73
3.4.1.3.1 Versuchsaufbau 73
3.4.1.3.2 Versuchsprogramm 74
3.4.1.3.3 Ergebnisse 74
3.4.2 Dauerhaftigkeits- und Dauerstandfestigkeitsuntersuchungen im Klima 102
3.4.2.1 Klebstoff-Substanzproben (IfW) 104
3.4.2.1.1 Versuchsaufbau 104
3.4.2.1.2 Versuchsprogramm 105
3.4.2.1.3 Ergebnisse 105
3.4.2.2 Druckscherversuche (Vergleich von ungealterten Proben mit beschleunigt
gealterten Proben) (ifs) 110
3.4.2.2.1 Vergleich unbehandelter Schalungsoberflächen mit sandgestrahlten
Oberflächen 111
3.4.2.2.2 Vergleich abgesäuerte und tief profilierter Oberflächen durch Herausreißen
von Abreißmaterial (Stahldrahtgewebe) 116
3.4.2.2.3 Druckscherproben mit zusätzlich in die Grenzschicht eingebetteten
Stahlfasern 117
3.4.2.2.4 Vergleich ungünstiger Klimate während des Aushärteprozesses mit
Standardbedingungen 120
3.4.2.3 Spreizprobe als modifizierte Double-Cantilever-Beam in der beschleunigten
Alterung nach modif. VDA 621-415 (ifs) 122
3.4.2.4 Einfluss der Substratoberfläche 124
3.4.2.5 Einfluss der Klebschichtdicke 125
3.4.2.6 Einfluss einer optimierten Krafteinleitung in den Kernbeton 126
3.4.2.7 Untersuchungen an Biegezugprismen (WdBB) 127
3.4.2.7.1 Alterung unter definierten Klimabedingungen (WdBB) 128
3.4.2.7.2 Alterung unter realen Klimabedingungen (WdBB) 130
3.4.2.7.3 Alterung unter definierten Klimabedingungen (WdBB) 131
3.4.2.7.4 Alterung unter realen Klimabedingungen (WdBB) 132
3.4.2.8 CTS-Probe (IfW) 133
3.4.2.8.1 Versuchsaufbau 133
3.4.2.8.2 Versuchsprogramm 134
3.4.2.8.3 Ergebnisse 135
3.4.3 Dauerschwellfestigkeit an Balken (WdBB) 138
3.5 Zusammenfassung 139
4 WIRTSCHAFTLICHE BEDEUTUNG DES FORSCHUNGSTHEMAS FÜR
KLEINE UND MITTLERE UNTERNEHMEN (KMU) 144
5 UMSETZUNG DER ANGESTREBTEN FORSCHUNGSERGEBNISSE 144
6 FORSCHUNGSSTELLEN UND FORSCHUNGSSTELLENLEITER 150
7 LITERATUR 151
8 ANHANG 154

1 Forschungsthema 6
1 Forschungsthema
Neue konstruktive Möglichkeiten im Betonbau durch
Kleben von Bauteilen aus Ultra-Hochfestem Beton
2 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche
Problemstellung
In den letzten Jahren wurden so genannte Ultra-Hochfeste Betone mit einer stahlähnlich
hohen Druckfestigkeit von bis zu 230 N/mm 2 und einer für Beton außerordentlich
hohen Zug- und Biegezugfestigkeit entwickelt und weltweit in einigen
Erprobungsbauwerken angewandt. Das erste größere Bauwerk mit UHPC in
Deutschland, eine Brücke über die Fulda, wurde 2007 in Kassel fertiggestellt [1-4].
Die außergewöhnliche Leistungsfähigkeit dieses Betons ermöglicht einen Innovationssprung
im Bauwesen: UHPC ermöglicht kostengünstige, filigrane, leichtgewichtige
und zugleich außerordentlich tragfähige und korrosionsbeständige Brücken,
Hochhäuser, Schalen, Dachtragwerke und Formteile. Die aufwändig zu
verlegende Stahlbewehrung kann in den meisten Fällen entfallen [5].
Eine offene, für die stoffgerechte Konstruktion und die Wirtschaftlichkeit der Bauweise
außerordentlich wichtige Frage ist bislang das stoffgerechte Fügen vorgefertigter
Bauteile aus diesem Beton auf der Baustelle. Bei Beton übliche Verbindungen
– z.B. mittels Anschlussbewehrung – sind wegen der geringen Bauteilabmessungen
nicht möglich. Schrauben etc. beanspruchen die Bauteile örtlich sehr
hoch, was die Ausnutzung der Bauteile einschränkt. Das flächenhafte Kleben
erscheint dagegen – wie Vorversuche gezeigt haben – sehr aussichtsreich, wenn
die Randbedingungen hinsichtlich der erreichbaren Festigkeit des Betons und des
Klebstoffs, das Verbundverhalten, das Verformungsverhaltens der Klebfuge und
der gefügten Bauteile gezielt gesteuert werden können und wenn Klebverbindungen
im Rahmen der Bauwerksbemessung gezielt berücksichtigt werden können
[6].
Das Kleben von Normalbeton ist seit über 40 Jahren in bestimmten Bereichen
Stand der Technik (Segmentbauweise, Klebstoffinjektion in Risse, Dichtkleben für
bestimmte Anwendungen [7-11]). In den letzten 20 Jahren haben Verstärkungsklebungen
mit Stahl und Carbonfaser-Versteifungen an bestehenden Bauwerken
zur Erhaltung und Lebensdauerverlängerung stark zugenommen [12-14]. Dabei
gilt es stets eine optimale Anbindung der polymeren Klebstoffe an die Betonsubstrate
zu erzielen. Kritische Einflüsse können hier z.B. aus dem Einsatz von Fertigungshilfsstoffen
resultieren. Neben Trennstoffresten auf dem Beton bildet sich oft
durch Entmischungseffekte eine geschwächte zementleimreiche und zuschlagar-

1 Forschungsthema 7
me Matrix aus und auch die mit Kurzfasern verstärkten Betonmischungen haben
spezifische strukturelle Effekte in den randschichtnahen Zonen. Es handelt sich
folglich um zwei Problemkreise. Dies sind die Benetzung bzw. Haftung des Klebstoffs
auf der Oberfläche und die geschwächte Randschicht der Betonbauteile.
Beim UHPC existieren prinzipiell die gleichen Probleme wie beim Kleben von
Normalbeton, wobei hier die Adhäsion durchaus kritisch gesehen werden muss,
da die Oberfläche erheblich dichter ist und somit der große Anteil von mechanischer
Adhäsion, der bei Normalbeton praktisch immer zum kohäsiven Versagen in
der Randschicht führt, entfällt. Diese höher verdichtete Randschicht führt zwar
auch zu einer höheren Tragfähigkeit der Klebung (wenn die Adhäsion ausreichend
ist), jedoch ist diese Steigerung nicht ausreichend, um die spezifischen Eigenschaften
des UHPC wirklich auszunutzen. Dies gilt neben der übertragbaren Last
im Besonderem auch für die Energieaufnahmefähigkeit der Verbindung. Im Folgenden
werden diese Aspekte kurz erläutert.
Probleme beim Kleben von gusstechnisch hergestellten Bauteilen sind stets mit
Formtrennstoffen verbunden, auf die wegen der sicheren Entformbarkeit aus den
Schalungen nicht verzichtet wird. Für Betonschalungen werden typischerweise
Mineralöle verwendet, die sich in Poren der Randschicht einlagern können und
speziell beim Warmhärten der Bauteile zum schnellen Erreichen der Endfestigkeit
auch in feinporigen Strukturen der tieferen Randschicht migrieren können. Diese
Formtrennstoffe können die zuverlässige Benetzung der flüssigen Klebstoffe im
Klebvorgang herabsetzen oder verhindern, so dass keine ausreichende adhäsive
Anbindung zwischen Klebstoff und Beton-Substrat erzielt wird.
Entmischungseffekte im noch flüssigen Beton in den Randzonen zur Schalung
und strömungstechnisch ungünstigen Eckbereichen von Schalungen begünstigen
den bekannten Wandeffekt mit einer zementreichen und zuschlagarmen Betonmatrix.
Diese Schichten weisen eine schwächere Oberflächenfestigkeit als der
Kernbeton auf und müssen vor dem Kleben entfernt werden.
Das Kleben von faserhaltigem Beton birgt besondere Herausforderungen für eine
zuverlässige Lasteinleitung in die Fügeteile. Hier können zusätzlich geschwächte
Randschichten im Bereich von Schalungsflächen entstehen. Diese resultieren aus
den Fertigungsbedingungen, bei denen sich die Fasern in der Randschicht zur
Schalung fast ausschließlich parallel ausrichten und eine quasi-isotrope, ungerichtete
Faserverteilung wie im gut durchmischten Kernbeton verhindert wird. Dieses
Phänomen schwächt die Randschicht, da die Fasern nicht im Kernbeton verankert
sind. Die hierdurch verschlechterte Lasteinleitung in den Kernbereich führt zu
einem niedrigeren Festigkeitsniveau der Verbindung, insbesondere aber zu einem
eher spröden Versagen, das aus Gründen der Sicherheit in jedem Fall vermieden
werden sollte.

1 Forschungsthema 8
Speziell der Faserbeton zeichnet sich durch ein besonders gutmütiges und beherrschbares
Nachbruchverhalten aus. Dies wird durch eine optimierte Spannungsverteilung
erreicht, die auf der Kraftübertragung durch die Fasern beruht.
Dies kann aber nur erfolgen, wenn die Fasern in Kraftrichtung angeordnet sind
und eine Kraftübertragung von der Betonmatrix in die Faser erfolgt, was hier auch
als Faseraktivierung bezeichnet wird. Randschichten mit ausschließlich parallel
ausgerichteten Fasern bergen die Gefahr, dass sie schlagartig versagen können,
was besonders beim Kleben prekär ist, da in diesem Fall - im Gegensatz z.B. zum
Schrauben - diese Schichten voll zur Kraftübertragung genutzt werden müssen.
Die Untersuchung von Oberflächenbehandlungsverfahren zur Aktivierung der im
faserhaltigen UHPC eingebetteten Stahlfasern sowie das Entfernen von möglicherweise
geschwächten Randschichten zur die Erzielung einer möglichst klebgerechten
Oberfläche ist ein Schwerpunkt im Vorhaben. Verschiedene Methoden der
Oberflächencharakterisierung zur Beschreibung der auftretenden Effekte nach
Veränderung der Oberflächen werden angewendet. Klebungen mit ausgewählten
Klebstoffen in zwei Probekörpergeometrien sollen die veränderte Tragfähigkeit
auch im Hinblick auf beschleunigte Alterung dokumentieren.
3 Forschungsziel / Ergebnisse / Lösungsweg
3.1 Ausgangsstoffe
3.1.1 Substrat UHPC
Ultra-hochfester Beton ist ein gefügedichter Beton, der sich durch seine hohe
Druckfestigkeit auszeichnet. Die Gefügedichtigkeit beruht auf einer optimierten
Kornpackung. Er ermöglicht es, sehr filigrane, leichte, energie- und rohstoffsparende
Bauteile und Bauwerke herzustellen [5]. Er erreicht Druckfestigkeiten bis
über 200 MPa und – mit Fasern versetzt – Zugfestigkeiten von 15 MPa und Biegezugfestigkeiten
bis zu 45 MPa. Hochfeste Mikrodrahtstahlfasern (s. auch
Tabelle 3-1, S. 9) garantieren zudem ein beherrschbares, und damit sicheres
Bauteilversagen. Wird die maximale Festigkeit überschritten, versagt UHPC ohne
Fasern ohne Vorankündigung unmittelbar und explosionsartig. Die Mikrodrahtstahlfasern
werden nach Überschreiten der Zugfestigkeit der Betonmatrix langsam
aus ihr herausgezogen und sorgen so für ein duktiles Versagen, ähnlich wie bei
Normalbeton. Das beschriebene duktile Bauteilversagen ist aus Sicherheitsgründen
unverzichtbar.