4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 47 SMART-DECK: Realisierung eines Konzepts Dr.-Ing. Till Büttner Massenberg GmbH, Essen Zusammenfassung Im Rahmen des Verbundforschungsvorhabens SMART-DECK, das als Beitrag der Initiative „HighTechMatBau“ vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert wurde, wurde ein multifunktionales System zur Instandsetzung sowie dem Schutz von Infrastrukturbauwerken erarbeitet. Das System ermöglicht ein vollflächiges Echtzeit-Feuchtemonitoring, einen abschnittsweise steuerbaren präventiven kathodischen Korrosionsschutz (pKKS) und eine Erhöhung der Biege- und Querkrafttragfähigkeit bei Bestandsbrücken. Mit dem Monitoring können Schäden in der Abdichtungsebene frühzeitig erkannt und, in Kombination mit dem pKKS, Verkehrsbehinderungen vermieden werden, da eine Erneuerung des Brückenbelages in verkehrsgünstigere Perioden verschoben werden kann. Sowohl das Monitoring, der pKKS als auch die verstärkende Wirkung werden durch eine textile Carbonbewehrung in Kombination mit einem Spezialmörtel realisiert. Im Rahmen des Verbundforschungsvorhabens wurden sowohl Laboruntersuchungen durchgeführt als auch zwei unterschiedlich große Demonstratoren realisiert, um die Leistungsfähigkeit des Systems auch außerhalb einer Laborumgebung zeigen zu können. 1. Einleitung Die Dauerhaftigkeit von Infrastrukturbauwerken wird maßgeblich von unterläufigen Abdichtungen sowie schadhaften Fugen- oder Übergangsprofilen und dem damit verbundenen Eintrag von Chloriden in die Konstruktion negativ beeinflusst [1]. Trotz der regelmäßig alle drei bzw. sechs Jahre stattfindenden Bauwerksprüfungen kann die Korrosion der Bewehrung oft erst erkannt werden, wenn bereits ein erhebliches Schädigungsausmaß vorliegt. Dies ist darauf zurückzuführen, dass bei den Bauwerksprüfungen nur die sichtbaren Flächen, d. h. die Unterseite der Fahrbahntafel, die Innenseite und Außenseiten eines Hohlkastens oder des Kragarms, untersucht werden können. Die Folge von Chlorideintrag von der Oberseite (d. h. durch die Fahrbahndecke und undichte Abdichtungen) in die Bauwerkskonstruktion sind umfangreiche Instandsetzungmaßnahmen, die zu erheblichen Verkehrsbehinderungen und signifikanten volkswirtschaftlichen Verlusten führen können [2]. Ein vollflächiges Monitoring hinsichtlich der Dichtigkeit der Abdichtung von Infrastrukturbauwerken ist aktuell nicht üblich und am Markt nicht verfügbar. Sofern ein Monitoring ausgeführt wird, sind es lokal messende Sensoren, die einen begrenzten Messradius aufweisen. Tritt außerhalb dieses Radius eine Undichtigkeit auf, kann diese nicht detektiert werden [3]. Das System SMART- DECK bietet erstmals am Markt eine vollflächige Monitoringlösung, die um zwei weitere Funktionalitäten erweitert wird, so dass das Gesamtsystem die folgenden Funktionalitäten aufweist: • vollflächiges Echtzeit-Feuchtemonitoring, • abschnittsweise steuerbaren, präventiven kathodischen Korrosionsschutz (pKKS), der mittels Fremdstrom die Depassivierung der Bewehrung verzögert [4] sowie • Erhöhung der Tragfähigkeit in Querrichtung (bei Bestandsbrücken). Das vollflächige Monitoring ermöglicht ein frühzeitiges Erkennen von Undichtigkeiten und damit einem möglichen Eindringen von Chloriden in die Konstruktion. Mittels des pKKS, der im Falle von Undichtigkeiten lokal aktiviert werden kann, ist es möglich die Stahlbewehrung des Überbaus aktiv vor Korrosion zu schützen und damit erforderliche Instandsetzungsmaßnahmen nicht unmittelbar ausführen zu müssen, sondern es besteht die Möglichkeit diese in verkehrsgünstige Perioden zu verschieben. Ferner wird mittels SMART-DECK der Überbau in Querrichtung verstärkt. Üblicherweise erfolgt die Verstärkung von Brückenbauwerken in Querrichtung momentan z.B. mit in Schlitzen eingebettetem Bewehrungsstahl. Textilbewehrte KKS-Systeme sind aktuell am Markt verfügbar - siehe u.a. [5] - allerdings handelt es sich um KKS-Systeme, bei denen die textile Bewehrung nicht als Sensor und Verstärkung verwendet wird. 48 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 SMART-DECK: Realisierung eines Konzepts Bild 1: Übersicht der Funktionalität von SMARTDECK und den Zustand der Abdichtung; grün: intakte Abdichtung, gelb: signifikanter Widerstandsabfall; rot: Grenzwert Widerstand unterschritten, Undichtigkeiten vorhanden und pKKS erforderlich In Abhängigkeit der bei einem individuellen Bauwerk erforderlichen Maßnahmen, ist SMART-DECK modular aufgebaut, wie in dem nachfolgenden Bild dargestellt. Die maximale Ausbaustufe des Systems ist die Kombination aller drei Funktionalitäten, die anderen Möglichkeiten stellen sinnvolle Kombinationen oder Einzelanwendungen einer der möglichen Funktionalitäten dar. Liegt z.B. keine Notwendigkeit eines Monitorings vor, kann das System als ausschließliches Verstärkungssystem konzipiert werden. Die Anwendung als ausschließliches KKS-System ist keine planmäßige Anwendung von SMART-DECK, sondern das KKS soll immer als präventives KKS in Kombination mit einem Monitoring- System verwendet werden. Die Modularität hat auch zur Folge, dass der Einsatz des Systems grundsätzlich bei Neubauten oder bei Bestandsbauwerken möglich ist. Bild 2: Übersicht über die modularen Funktionalitäten von SMART-DECK Der grundsätzliche Aufbau des Systems SMART-DECK ist für alle Anwendungsfälle - Instandsetzung oder Neubau - identisch (vgl. Detail A; Bild 1): • 35 mm Hochleistungsmörtel mit • 2 Lagen Carbonbewehrung mit elektrischen Anschlüssen für Monitoring und pKKS, die nach außen geführt werden. Das System SMART-DECK wurde im Rahmen eines Verbundforschungsprogramms innerhalb der Förderlinie HighTechMatBau des BMBF erarbeitet. Innerhalb des Forschungsverbundes waren sowohl Partner aus der Forschung - das Institut für Bauforschung - Bauwerkserhaltung und Polymerkomposite (ibac) sowie dem Institut für Massivbau (IMB) der RWTH Aachen - als auch Partner aus der Wirtschaft vertreten. Die beteiligten Unternehmen waren die Eurovia Beton GmbH NL Bauwerksinstandsetzung (Projektkoordinator des Verbundprojektes/ Hofheim-Wallau), Solidian GmbH (Albstadt-Lautlingen), Massenberg GmbH (Essen), instakorr GmbH (Darmstadt) sowie die StoCretec GmbH, Tochtergesellschaft der Sto SE & Co. KGaA (Kriftel). Ferner war die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt), die das System aus Sicht des späteren Nutzers beurteilt, an dem Forschungsvorhaben beteiligt. 2. Die Komponenten von SMART-DECK 2.1 Hochleistungsmörtel Das System SMART-DECK wird planmäßig mit einer konstanten Schichtdicke über die gesamte Fläche eines Brückenüberbaus ausgeführt, d. h. ein bei Brückenbauwerken eventuell erforderlicher Gradientenausgleich muss vor der Applikation von SMART-DECK erfolgen. Die planmäßige Mehrbelastung infolge des Systems beträgt mit dem planmäßigen Aufbau mit einer Schichtdicke von 35 mm rd. 80 kg/ m² (0,8 kN/ m²). Sofern die Mehrbelastung bei Bestandsbauwerken kompensiert werden muss, besteht z.B. die Möglichkeit einen sog. HANV-Belag [6] anstatt eines herkömmlichen Belagsaufbaus gemäß ZTV-ING [7] mit zwei Lagen Gussasphalt à 35 mm einzubauen. Die Einbettung der textilen Bewehrung erfolgt mittels eines speziell an die Anforderungen des Forschungsprojektes angepassten RM (bisher: PCC (Polymermodified Cement Concrete)) des Forschungspartners StoCretec. Der Mörtel mit einem Größtkorn von 4 mm wurde iterativ entwickelt, so dass er den verschiedenen, konkurrierenden Anforderungen bezüglich Verstärkung, Monitoring, pKKS und Einbaupraxis entspricht. Neben den Anforderungen an die Mörtelzusammensetzung, waren die Anforderungen an die Einbaupraxis ebenfalls eine besondere Herausforderung. Der Mörtel muss zum einen eine ausreichende Fließfähigkeit aufweisen, um einen Einbau des Systems in einer Lage zu ermöglichen, als auch eine ausreichend hohe Förderleistung während des Einbaus realisieren zu können. Ferner muss der Mörtel eine ausreichende Standfestigkeit aufweisen, um bei Querneigungen von mindestens 2,5 % einbaubar zu sein 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 49 SMART-DECK: Realisierung eines Konzepts und bei dem Einbringen der Verdichtungsenergie nicht zu verlaufen. Die nachfolgenden Bilder zeigen unterschiedliche Entwicklungsstufen des Mörtels. Bild 3 zeigt einen für die Herstellung von SMART-DECK nicht geeigneten Mörtel, Bild 4 wiederum einen geeigneten Mörtel. Bild 3: Mörtelversuche - hier: Mörtel mit zu steifer Konsistenz für die Verwendung bei SMART-DECK (Foto: Till Büttner) Bild 4: Mörtelversuche - hier: Mörtel mit für den Einbau durch zwei Lagen textile Bewehrung geeignete Konsistenz (Foto: Till Büttner) Die Herstellversuche wurden an kleinformatigen Probekörpern mit einer Größe von 1 m² ausgeführt, wobei bei der Herstellung darauf geachtet wurde, dass die Verdichtung ausschließlich von oben in das Gesamtsystem eingebracht wird, da bei der realen Anwendung die Verdichtung ebenfalls nur von oben erfolgen kann. Die Mörtelversuche dienten sowohl zur Erarbeitung der Einbautechnologie als auch der Mörtelentwicklung bei dem Forschungspartner StoCretec. Die unter Baustellenbedingungen ermittelten Mörtelfestigkeiten sind in dem nachfolgenden Kapitel zu den Demonstratoren widergegeben. 2.2 Textile 3D-Bewehrung Die textile Bewehrung übernimmt bei allen drei möglichen Funktionalitäten von SMART-DECK eine wesentliche Aufgabe. Bei dem Monitoring ist die textile Bewehrung der Sensor, der den Widerstand des Mörtels zwischen den beiden Bewehrungslagen und damit den Feuchtegehalt des Mörtels misst. Steigt der Feuchtegehalt des Mörtels muss davon ausgegangen werden, dass Undichtigkeiten in der Abdichtungsebene der Brücke vorliegen und damit auch Chloride in das Bauwerk eindringen können. Bei dem pKKS wiederum stellt die textile Bewehrung die Anode dar. Sofern mit SMART- DECK der Brückenüberbau verstärkt wird, wird die Verstärkung durch die auf der Oberseite des Brückenüberbaus applizierte textile Bewehrung realisiert. In Abhängigkeit der Anforderung an die möglichen Module (siehe Bild 2) kann der Bewehrungsgrad von SMART-DECK variiert werden. Bei dem im Rahmen des Verbundforschungsvorhaben erarbeiteten Systems sind zwei Lagen textile Bewehrung erforderlich. Dabei kann allerdings der Rovingquerschnitt als auch der Rovingabstand variiert und an die Anforderungen des jeweiligen Projektes angepasst werden. Um eine Unterteilung der gesamten Einbaufläche in einzelne Messfelder sowie pKKS-Felder zu ermöglichen, muss die Bewehrung in Längsrichtung ohne Übergreifung (und damit ohne direkten elektrischen Kontakt) ausgeführt werden, in Brückenquerrichtung (Verstärkungsrichtung des Überbaus sowie des Kragarms) muss ein statisch wirksamer Übergreifungsstoß ausgeführt werden. Sofern keine Verstärkung erforderlich ist, kann in Querrichtung auf einen Übergreifungsstoß verzichtet werden. Dabei ist allerdings zu beachten, dass dann alle Bewehrungsfelder mit Kabeln an das Monitoring und pKKS-System angeschlossen werden müssen und sich somit unter Umständen der Verkabelungsaufwand deutlich erhöht. Als textile Bewehrung von SMART-DECK kommen sogenannten biaxiale Carbontextilien zum Einsatz, die eine lichte Maschenweite von 38 mm aufweisen und mit Epoxidharz im Herstellprozess getränkt werden. Die Maschenweite wurde im Rahmen des Forschungsprojektes unter Berücksichtigung des bei dem Projekt vorliegenden Mörtelgrößtkorns von 4 mm sowie der Herstellung - Einbau des Mörtels durch zwei Lagen Textilien und anschließendes Verdichten von der Oberseite - iterativ ermittelt. Die Herstellung des zweilagigen, sog. 3D-Textils, erfolgt bei der Textilherstellung. so dass die textile Bewehrung einbaufertig auf die Baustelle geliefert wird. Bei der Herstellung des 3D-Textils kommen spezielle nicht-leitende Abstandshalter zum Einsatz. Ferner sind die Abstandshalter für die Unterseite an der Bewehrung werksmäßig eingebaut. 50 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 SMART-DECK: Realisierung eines Konzepts Bild 5: Fertig verlegte 3D-Bewehrung vor dem Mörteleinbau - lichte Maschenweite: 38 mm (Foto: Till Büttner) Die textile Bewehrung wird für die vorliegende Anwendung mit einer Breite von 1,20 m hergestellt, dies entspricht der Breite der Messfelder in Brückenlängsrichtung. Die Länge der Bewehrung beträgt i.d.R. 5,00 m, um eine ausreichende Verarbeitbarkeit auf der Baustelle zu ermöglichen, wobei auch längere Lieferlängen grundsätzlich möglich sind. Das Verlegen der Bewehrung erfolgt nach der Herstellung der elektrischen Anschlüsse händisch gemäß einer vorher erstellten Verlegeplanung. Um ein Aufschwimmen der Textilien beim Verdichten zu verhindern, werden in regelmäßigen Abständen ebenfalls nicht-leitende Verankerungselemente angeordnet. Die Verwendung von nicht-leitenden Abstandshaltern und Verankerungselementen ist zwingend erforderlich, um Kurzschlüsse zwischen den Bewehrungslagen bzw. mit der Bestandsbewehrung zu vermeiden. Kurzschlüsse zwischen den Bewehrungslagen würden ein Messen der Feuchtigkeit innerhalb des Mörtels (und damit die Detektion von Undichtigkeiten) unmöglich machen, Kurzschlüsse zwischen textiler Bewehrung und Bestandsbewehrung würden zu einem nichtfunktionierenden pKKS führen. 3. Erprobung von SMART-DECK Das System SMART-DECK wurde im Rahmen des Verbundforschungsprojektes an zwei unterschiedlich großen Demonstratoren erprobt und ausgeführt. Nach 18 Monaten Projektlaufzeit wurde ein sog. Kleindemonstrator hergestellt, der die erste Übertragung aus dem Labormaßstab in den realen Maßstab des Systems darstellt. Zu Projektabschluss wurde ein Großdemonstrator hergestellt, der die Integration des Systems in ein reales Bauprojekt validiert. Die nachfolgenden beiden Abschnitte stellen die Arbeiten an beiden Demonstratoren vor. 3.1 Kleindemonstrator Der Kleindemonstrator stellt die erste Übertragung der Herstelltechnologie des Systems aus dem Labormaßstab in den realen Maßstab dar. Der Kleindemonstrator wurde auf einer speziell für das Projekt hergestellten Grundplatte mit einer Größe von rd. 80 m² ausgeführt. Die Grundplatte wurde bei der Bundesanstalt für Straßenwesen hergestellt und repräsentiert eine typische Fahrbahntafel einer Betonbrücke. Die Herstellung einer speziellen Grundplatte ermöglichte nach der Herstellung von SMART-DECK die Entnahme von insgesamt vier Probekörpern, zwei Referenzprobekörper sowie zwei Probekörper zur Quantifizierung des Verstärkungsgrades. Diese aus dem Kleindemonstrator entnommenen Probekörper ergänzen die unter Laborbedingungen hergestellten Probekörper, um eventuell aus den Baustellenbedingungen resultierende Einflüsse quantifizieren zu können [8]. Das nachfolgende Bild stellt den Kleindemonstrator schematisch dar. Bild 6: Übersichtszeichnung des Kleindemonstrators (Zeichnung: Till Büttner) Der in Bild 6 dargestellte Grundkörper weist die folgenden Besonderheiten auf: • Variation des Längs-/ Querbewehrungsgrades (kreuzweise identisch in den einzelnen Abschnitten verlegte Bewehrung): - 5,24 cm²/ m (Ø 10-15) - 10,26 cm²/ m (Ø 14-15) - 25,13 cm²/ m (Ø 20-10) • Bewehrung ausschließlich Einzelstäbe analog Brückenüberbauten gemäß ZTV-ING. • Neigungswechsel zur Simulation des Schrammbordbereichs eines Brückenüberbaus von +2,5 % auf -2,5 %. • integrierte Referenzelektroden für den pKKS. 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 51 SMART-DECK: Realisierung eines Konzepts Bild 7: Aufnahme der unterschiedlich bewehrten Bereiche des Grundkörpers (Foto: Till Büttner) Bild 8: Detailaufnahme des Neigungswechsels (hier mit Randschalung, textiler Bewehrung und Rüttelbohle) (Foto: Till Büttner) Der Grundkörper wurde mittels Rüttelbohle verdichtet und anschließend mittels Folie ohne weitere Bearbeitung der Oberfläche sowie der Verwendung eines Nachbehandlungsmittels nachbehandelt. Als Beton für den Grundkörper wurde ein im Brückenbau üblicherweise verwendeter C30/ 37 (Größtkorn: 16 mm) nach Vorgaben der ZTV-ING [7] verwendet. Bei der Applikation von SMART-DECK wies der Grundkörper ein Alter von ca. 4 Monaten auf. Die Applikation wurde in den folgenden Schritten durchgeführt: • Untergrundvorbereitung mittels Kugelstrahlen (2-maliges Überfahren im Kreuzgang) gemäß ZTV- ING zum kuppenartigen Freilegen des Größtkorns, • Einbau einer Randschalung entlang der „Brückenränder“ sowie zwischen den Arbeitsabschnitten, • Einbau der textilen Bewehrung sowie Verankerung der Bewehrung am Untergrund und Einbau von Multiringelektroden für vergleichende Messungen, • Applikation des Mörtels mittels Schlauchförderung und Verdichtung mit einer Rüttelbohle sowie anschließendes Nachbehandeln unter Berücksichtigung der Vorgaben der ZTV-ING für den Einbau von PCCs bzw. Aufbetonen (siehe u.a. Teil 3 Abschnitte 4 und 7). Bild 9: Grundplatte des Kleindemonstrators mit verlegter Bewehrung des ersten Bauabschnitts und eingebauter Randschalung (Foto: Till Büttner) Bild 10: Textile Bewehrung des zweiten Bauabschnitte nach dem Einbau und in Brückenlängsrichtung vorhandenem Abstand zur Generierung der einzelnen Messfelder (vgl. Bild 1) - weiß: Abstandshalter der Textilien, schwarz: Verankerung der Bewehrung im Untergrund (Foto: Till Büttner) Der Einbau von SMART-DECK erfolgt ausschließlich von der Oberseite auf die vorbereitete Oberfläche. Der Verbund und damit die Schubkraftübertragung zum Bestandsbeton wird lediglich über die Fugenrauheit ohne die Verwendung von statisch wirksamen Verankerungen realisiert. Bei der Herstellung des Kleindemonstrators wurde darauf geachtet, dass alle Einzelschritte auf einem Brückenbauwerk ausführbar sind, d. h. alle Arbeitswege, Material- und Geräteandienung analog zu einer Brückentafel erfolgen. Auch erfolgte die Herstellung in zwei Bauabschnitten, um eine übliche Baustellenverkehrsführung bei Instandsetzungsbaustellen zu simulieren. Nach der Untergrundvorbereitung erfolgte die Verlegung der vorkonfektionierten textilen Bewehrung auf der Be- 52 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 SMART-DECK: Realisierung eines Konzepts tonoberfläche - siehe Bilder 9 und 10. Die Verankerung erfolgte in einem Raster von ca. 50 x 50 cm², wobei dieser Abstand an die jeweilige Örtlichkeit angepasst werden kann, so dass eine ausreichende Verankerung der textilen Bewehrung am Untergrund sichergestellt werden kann. Die Vorkonfektionierung der Bewehrung umfasst sowohl den passgenauen Zuschnitt der Bewehrung als auch die Herstellung der elektrischen Anschlüsse durch die Firmen Massenberg und instakorr. Die Verkabelung wird gemäß den Anforderungen an eine KKS-Verkabelung ausgeführt, d.h. die Verkabelung ist redundant ausgelegt. Um die Unterteilung in einzelne Messfelder - siehe Bild 1 - zu erreichen, wurde die Bewehrung in Längsrichtung des simulierten Brückenüberbaus ohne Übergreifung ausgeführt. In Querrichtung wurden statisch wirksame Übergreifungsstöße ausgeführt, um die gewählte Übergreifungslänge im Zuge der Versuche am Institut für Massivbau an den zwei entnommenen Probekörpern zu verifizieren. Nach dem Bewehrungseinbau erfolgte der Schalungsbau entlang der Ränder des Grundkörpers sowie entlang der Arbeitsfuge zwischen den beiden Bauabschnitten. Im Anschluss an die Schalarbeiten erfolgte der Einbau des Hochleistungsmörtels - siehe Bild 11. Der Einbau erfordert den Einsatz einer Arbeitsbühne, die vor der Rüttelbohle angeordnet war. Die Verwendung einer Arbeitsbühne ist unbedingt erforderlich, da ein Betreten der Bewehrung zu Beschädigungen an der Bewehrung infolge der geringen Quersteifigkeit des Carbons und der Veränderung der Lage führen kann, so dass dies zwingend ausgeschlossen werden muss. Weiterhin ist das getränkte Carbontextil vergleichsweise steif, so dass eine Überbelastung der Bewehrung zu Sprödbrüchen führt, die diese nachhaltig beschädigt und diese somit nicht mehr die volle Tragfähigkeit aufweist [9]. Die Förderung des Mörtels erfolgte direkt aus einem Silo mit angeschlossener Mischeinheit über eine Länge von max. 60 m Förderschlauch an die Einbaustelle (Bilder 11 und 12). Parallel zum Einbau der Bewehrung erfolgten Widerstandsmessungen, um Kurzschlüsse oder Beschädigungen der textilen Bewehrung unmittelbar detektieren zu können. Im Rahmen der Herstellung des Kleindemonstrators konnte keine Beschädigung der textilen Bewehrung festgestellt werden. Bild 11: Detailaufnahme des Mörteleinbaus vor dem Verdichten (Foto: Till Büttner) Bild 12: fertiggestellter erster Bauabschnitt des Kleindemonstrators (Foto: Till Büttner) Zur Qualitätssicherung wurden Mörtelproben der beiden Bauabschnitte hergestellt und die Druck- und Biegezugfestigkeit gemäß DIN EN 196-1: 2005 [10] ermittelt. Die nachfolgende Tabelle gibt die Festigkeiten, die bei dem Kleindemonstrator erzielt wurden, wieder. Die Proben wurden, abweichend von DIN EN 196-1: 2005, bis kurz vor der Prüfung neben dem Bauwerk gelagert, um die Festigkeiten des Mörtels des Kleindemonstrators zu ermitteln. Diese Festigkeiten dienten zum einen dem Vergleich mit zuvor im Labor ermittelten Festigkeiten als auch der Nachrechnung der entnommenen großformatigen Probekörper. Allgemein lässt sich feststellen, dass der Mörtel eine vergleichsweise schnelle Festigkeitsentwicklung sowie hohe Druck- und Biegezugfestigkeiten aufweist und die Festigkeiten im Bereich der im Labor ermittelten Festigkeiten des Mörtels liegen. 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 53 SMART-DECK: Realisierung eines Konzepts Tabelle 1: Mörtelfestigkeiten der beim Kleindemonstrator hergestellten Mörtelproben - Lagerung am Bauwerk [11] Bauabschnitt 1 Bauabschnitt 2 Prüfalter Druckfestigkeit in N/ mm² Biegezugfestigkeit in N/ mm² Druckfestigkeit in N/ mm² Biegezugfestigkeit in N/ mm² 1 d 25,5 5,2 27,9 5,9 7 d - - 51,3 5,9 14 d - - 61,7 8,7 28 d 66,8 10,5 60,6 10,4 Die Herstellung des Kleindemonstrators lässt sich wie folgt zusammenfassen: • die Ausführung von SMART-DECK in einem baustellengerechten Maßstab hat grundsätzlich funktioniert und das System kann mit dem erarbeiteten Verfahren eingebaut werden. • entlang der Schnittkanten zur Entnahme der großformatigen Proben konnten keine Hohlstellen oder Verschiebungen der Bewehrung aus der Solllage heraus festgestellt werden [8], [11]. Weitere zerstörende Prüfungen (außer der Entnahme der großformatigen Proben) wurden an dem Kleindemonstrator nicht durchgeführt, um Beschädigungen an der textilen Bewehrung sowie Verkabelung zu vermeiden. Somit konnte neben der Verstärkungswirkung auch das Monitoring und der pKKS am Kleindemonstrator und damit alle drei möglichen Funktionalitäten untersucht werden. Ferner wurde am Kleindemonstrator das für SMART-DECK erforderliche Monitoring sowie eine Datenfernübertragung mittels GSM-Modem installiert, um die Funktionalität aller für das Monitoring erforderlichen Komponenten - Messsensoren, Datenlogger und Datenfernübertragung - durch das ibac der RWTH Aachen zu validieren und zu prüfen [12]. Auch bei der Entwicklung des Monitorings wurde auf eine spätere Anwendbarkeit bei Brückenbauwerken, die nicht notwendigerweise über einen Dauerstrom- und Telefonleitungsanschluss verfügen, geachtet. Basierend auf den Arbeiten am Kleindemonstrator wurden die einzelnen Komponenten von SMART-DECK weiterentwickelt, um am Ende des Forschungsprojektes einen Großdemonstrator realisieren zu können. 3.2 Großdemonstrator Der am Ende des Forschungsprojekt realisierte Großdemonstrator diente der abschließenden Verifikation aller erarbeiteten Komponenten und sollte damit auch bei einem realen Bauvorhaben unter realistischen Bedingungen ausgeführt werden. Die Herstellung des Großdemonstrators erfolgte im Rahmen des Brückenneubaus „Ritterstraße“ der Stadt Mönchengladbach. Bei der Brücke handelt es sich um ein einfeldriges Rahmenbauwerk über den Fluss Niers, welches in zwei Bauabschnitten seitens einer ARGE, die nicht an dem Forschungsprojekt beteiligt ist, errichtet wurde. Das nachfolgende Bild 13 zeigt eine Ansicht der Brücke vor der Herstellung des Überbaus. Bild 13: Ansicht der Brücke Ritterstraße vor Herstellung des Überbaus (Foto: Till Büttner) Das neue Brückenbauwerk wurde sowohl als Ortbetonbauwerk (Widerlager) als auch in Halbfertigteilbauwerk (Überbau) ausgeführt. Zur Errichtung des Überbaus wurden zunächst Fertigteile auf die Lagerkonstruktion gelegt und anschließend mit einer bewehrten Ortbetonschicht zu einer Scheibe verbunden. Bei der Ortbetonschicht wurde die Rohbetonoberkante seitens der bauausführenden ARGE 35 mm niedriger fertiggestellt als ursprünglich geplant, um den Einbau von SMART-DECK ohne Anpassung der Gradiente vornehmen zu können. Die verbleibenden 35 mm wurden dann durch den Forschungsverbund mittels SMART-DECK hergestellt. Dabei wurde auf eine Anpassung der Bewehrungsführung in der Aufbetonschicht verzichtet, da SMART-DECK auf die Betondeckung angerechnet werden kann. Die Ausführung erfolgte aufgrund der Verkehrsführung vor Ort in zwei voneinander getrennten Bauabschnitten. Die grundsätzlichen Herstellschritte von SMART-DECK sind zu den zuvor in Kapitel 3.1 beschriebenen Schritten identisch, wobei sich sowohl bei den einzelnen Komponenten als auch bei der Einbautechnologie infolge der nach dem Kleindemonstrator durchgeführten Forschungsaktivitäten Änderungen im Detail ergeben haben. Die nachfolgenden Bilder zeigen die Herstellung der beiden Bauabschnitte des Großdemonstrators. Die Arbeiten zur Herstellung von SMART-DECK wurden jeweils ca. 14 Tage nach der Betonage der Ortbetonscheibe begonnen. 54 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 SMART-DECK: Realisierung eines Konzepts Bild 14: Vollständig verlegte textile Bewehrung des 2. Bauabschnitts (Foto: Till Büttner) Bild 15: Mörteleinbau des zweiten Bauabschnitts (Foto: Till Büttner) Bild 16: fertiggestellter erster Bauabschnitt (Foto: Till Büttner) Bild 17: fertiggestellter zweiter Bauabschnitt (Foto: Till Büttner) Im Zuge der Realisierung des Großdemonstrators konnte gezeigt werden, dass SMART-DECK auch unter realen Baustellenbedingungen herstellbar ist. Beide Bauabschnitte haben ferner ergeben, dass der Mörteleinbau bei SMART-DECK im Vergleich zu vorliegenden Leistungswerten für den Einbau von PCCs wirtschaftlich ausgeführt werden kann. Weiterhin hat die einbaubegleitende Qualitätskontrolle beim Großdemonstrator gezeigt, dass im Rahmen der Herstellung von SMART-DECK die textile Bewehrung nicht beschädigt wurde. Im Anschluss an die Herstellung des Großdemonstrator wird über die kommenden Jahre das Monitoring vom Institut für Bauforschung der RWTH Aachen - Bauwerkserhaltung und Polymerkomposite (ibac) betrieben, um eine breite Datenbasis für weitere Anwendungen vorliegen zu haben. Das in der Brücke Ritterstraße installierte Monitoring ermöglicht, wie auch bei dem Kleindemonstrator, eine Datenfernabfrage der aufgezeichneten Daten mittels GSM-Netz. 4. Zusammenfassung Die dargestellten Erkenntnisse zu SMART-DECK lassen sich wie folgt zusammenfassen: • SMART-DECK konnte im Rahmen des Klein - und Großdemonstrators unter Baustellenbedingungen, wenn auch in einem für Brückenbauwerken vergleichsweise kleinen Maßstab, realisiert werden. • Im Rahmen der Untersuchungen der verstärkenden Wirkung des Systems konnte gezeigt werden, dass durch SMART-DECK eine signifikante Steigerung der Biege- und Querkrafttragfähigkeit der Brückenfahrbahnplatte erreicht werden kann. Zudem werden die Durchbiegungen bei Belastung verringert und es stellt sich ein feineres Rissbild ein. Die damit einhergehende Reduzierung der Rissweiten beeinflusst das Tragwerk in Hinblick auf das mögliche Eindringen von tausalzhaltigem Wasser in positiver Weite. 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 55 SMART-DECK: Realisierung eines Konzepts • Die Grundlage für das Feuchte-Monitoring, die vollflächige Widerstandsmessung am Kleindemonstrator inklusive der Datenübertragung via Internet wurde erfolgreich getestet. Zusammenfassend lässt sich ebenfalls feststellen, dass auch bei Brückenneubauten die Anwendung von SMART-DECK langfristige wirtschaftliche Vorteile für den Nutzer erwarten lässt. Die Technologie des intelligenten multifunktionalen Verstärkungs- und Schutzsystems aus textilbewehrtem Hochleistungsmörtel ist später auf andere Anwendungsfelder (Parkbauten, Tunnel, Meeresbauwerke etc.) übertragbar. Literatur [1] Naumann, J.: Brücken und Schwerverkehr - Eine Bestandsaufnahme. In: Bauingenieur 85 (2010), Heft 1, S. 1-9 [2] Freundt, U.; Böning, S.; Kaschner, R.: Straßenbrücken zwischem aktuellem und zukünftigen Verkehr-Straßenverkehrslasten nach DIN EN 1991-2/ NA. In: Beton- und Stahlbetonbau 106 (2011), Heft 11, S. 736-746 [3] Raupach, M.; Gulikers, J.; Reichling, K.: Condition Survey with Embedded Sensors Regarding Reinforcement Corrosion: Bauwerksüberwachung mit eingebetteten Sensoren hinsichtlich der Korrosion von Stahl in Beton. In: Materials an Corrosion 64 (2013), Nr. 2, S. 141-146 ISSN 1521-4176 [4] Nürnberger, U.: Korrosion und Korrosionsschutz im Bauwesen. Band 1: Grundlagen, Betonbau. Band 2: Metallbau, Korrosionsprüfung. Wiesbaden; Berlin: Bauverlag, 1995 [5] Vennesland, O.; Haug. R.; Mork, J.H.: Cathodic protection of reinforced concrete - a system with woven carbon mesh. In: Concrete Repair, Rehabilitation and Retrofitting - Alexander (eds), Taylor & Francis Group London 2006, ISBN: 0 415 39654 9 [6] Hinweise für die Herstellung von Abdichtungssystemen aus Hohlraumreichen Asphalttraggerüsten mit Nachträglicher Verfüllung für Ingenieurbauten aus Beton; Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (FGSV), Ausgabe 2015 [7] Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Ingenieurbauten (ZTV-ING), Bundes-anstalt für Straßenwesen (bast), Ausgabe 10/ 2018 [8] Adam, V.; Will, N.; Hegger, J.: Verstärkung für Fahrbahnplatten von Massivbrücken aus Textilbeton: Versuche im Rahmen einer Demonstratorrealisierung, In: Bauingenieur 96 (2020) [9] Kulas, C.; Zum Tragverhalten getränkter textiler Bewehrungselemente für Betonbauteile, Dissertation RWTH Aachen, Eigenverlag, 2013 [10] DIN EN 196-1: Prüfverfahren für Zement - Teil 1: Bestimmung der Festigkeit; Deutsche Fassung, Ausgabe November 2006 [11] Adam, V., Driessen, C., Will, N., Raupach, M.: SMART-DECK: Multifunktionale Textilbetonschicht für Brückenfahrbahnplatten, 2. Brückenkolloquium - Beurteilung, Ertüchtigung und Instandsetzung von Brücken, Technische Akademie Esslingen, Tagungshandbuch 2016, pp. 413-421 [12] Driessen-Ohlenforst, C.; Faulhaber, A.; Raupach, M.: SMART-DECK: Monitoring und kathodischer Korrosionsschutz. In: Bauingenieur 96 (2020), 3 Danksagung Der Autor bedankt sich beim Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) für die Förderung des Projekts und beim VDI Technologiezentrum GmbH, die seitens des BMBF mit der Beratung und der Umsetzung der Förderrichtlinien betraut wurden. Außerdem gilt der Dank allen Projektpartnern: der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt, Bergisch-Gladbach), Eurovia Beton GmbH NL Bauwerksinstandsetzung (Projektkoordinator des Verbundprojektes/ Hofheim-Wallau), Solidian GmbH (Albstadt-Lautlingen), Massenberg GmbH (Essen), instakorr GmbH (Darmstadt) und StoCretec GmbH, Tochtergesellschaft der Sto SE & Co. KGaA (Kriftel) sowie dem Institut für Bauforschung - Bauwerkserhaltung und Polymerkomposite (ibac) und dem Institut für Massivbau (IMB) der RWTH Aachen. Ferner gilt der Stadt Mönchengladbach und insbesondere Herrn A. Diefenbacher der Dank für die erfolgreiche Kooperation bei dem Bauvorhaben „Ritterstraße“.