4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 663 Instandsetzung und Gewichtsreduzierung einer Brücke mit Leicht- und Carbonbeton in Kombination Detlef Koch Koch GmbH, Kreuztal, Deutschland Björn Neuberger Koch GmbH, Kreuztal, Deutschland Zusammenfassung Im Zuge der Sanierung eines Parkhauses in Siegen sollte eine Verbindungsbrücke zwischen dem vielbefahrenen Parkhaus und einem Kaufhaus saniert werden. Dabei sollte sowohl die Gebrauchstauglichkeit verbessert (Reduktion Durchbiegung und Rissbreiten), als auch die Eigenlast reduziert werden. 1. Bauwerk Das betrachtete Teilstück der Brücke (Abbildung 1) ist ca. 220 m² groß und 25 Jahre alt, die ein vielbefahrenes Parkhaus mit einem Einkaufszentrum verbindet. Die Exposition des Bauwerks ist hauptsächlich durch Witterungswechsel, Tausalze, Schneeräumung und hohe mechanische Belastungen ein- und ausparkender Fahrzeuge geprägt. 1.1 Schäden und Ursachen Gründe für die notwendige Sanierung waren vor allem die starke und bereits mit bloßem Auge erkennbare Durchbiegung, sowie eine mangelhafte Entwässerung, welche sich durch stehendes Wasser (mit hohem Chloridanteil) auf einem Großteil der Fläche bemerkbar machte. Erste Prüfungen ergaben, dass die ca. 16 cm dicken Betonfertigteilplatten (Abbildung 2), welche auf der Stahlbetonkonstruktion auflagen, in der ursprünglichen Bemessung nicht berücksichtigt wurden. Durch die Überbeanspruchung ließ sich die starke Durchbiegung erklären. Ziel war es daher, die vorhandene Aufbauhöhe der angrenzenden Flächen zu erreichen und dabei eine möglichst geringe Auflast zu generieren. Weiterhin sollte die bereits vorhandene Gefällesituation für ein neues Entwässerungssystem verbessert werden. Nach dem Abtrag der Betonfertigteilplatten zeigte sich, dass unter diesen eine Schicht von bis zu sechs Lagen Bitumenschweißbahn vorhanden war, die als flächige Abdichtung zum Altbeton auch weiterhin genutzt werden konnte. Eine anschließende Vermessung ergab Höhendifferenzen von bis zu 24 cm zwischen Untergrund und Oberkante des Aufbetons. Das Höhenprofil ist Abbildung 3 zu entnehmen. 2. Instandsetzungskonzept Um solche Höhenunterschiede mit geringer Auflast und dennoch hoher mechanischer Tragfähigkeit zu überbrücken, entwickelte die Koch GmbH eine Individuallösung auf Basis eines Leichtbetons in Kombination mit Carbonbeton. 2.1 Carbonbeton Carbongelege werden aus einer Vielzahl einzelner Garne gewebt und gebündelt als Roving bezeichnet. Aus den Rovings werden über spezielle Maschinen die individuellen Bewehrungsstrukturen gelegt. Typische Maschenweiten können so zwischen 8 und 42 mm rechteckig oder quadratisch variiert werden. Die spezifischen Gewichte der entstehenden Armierungsgelege reichen dabei typischerweise zwischen 310 und 650 g/ m², wobei Flächenquerschnitte von 30-142 mm²/ m erzielt werden. [1] Durch Tränkungen und Oberflächenmodifikation erhöhen sich der Verbund zu Mörtel-/ Betonmatrix, sowie die ausnutzbare Zugfestigkeit um ein Vielfaches. Dies kann sich zudem günstig auf die Rissanzahl bzw. Rissabstand und Rissbreiten auswirken (v.A. bei besandeten Gelege). [2] Die Vorteile von Carbonbeton gegenüber Stahlbeton sind vielfältig. So ist das verwendete Carbon beispielsweise korrosions- und oxidationsbeständig. Aber auch mechanisch hebt sich Carbon vor allem durch eine deutlich höhere Zugfestigkeit (1700-4000 N/ mm²) von Stahl-, Glasfaser- oder Basaltbewehrungen ab. 664 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 Instandsetzung und Gewichtsreduzierung einer Brücke mit Leicht- und Carbonbeton in Kombination Der gute Verbund, sowie die hohe Beständigkeit gegenüber chemischen Einwirkungen ermöglichen deutlich geringere Betondeckungen wodurch zusätzliche Materialeinsparungen möglich sind. Die gängigsten Einbettmaterialien sind rein zementgebundene Mörtel und Feinbetone. Aber auch Fließbeschichtungen, sowie kunststoffmodifizierte Zementprodukte kommen immer häufiger zum Einsatz. Dabei können auch elastifizierte Lösungen konzipiert werden, die großflächig den Boden verstärken und abdichten oder kleinere Bereiche wie Risse oder Fugen schützen. [3] 2.2 Leichtbeton Leichtbetone werden hauptsächlich in vier verschiedene Kategorien eingeteilt. Dazu gehören gefügedichte Leichtbetone, haufwerksporige Leichtbetone, Porenbetone sowie Porenleichtbetone (Schaumbeton). Gefügedichte Leichtbetone besitzen, ähnlich wie Normalbetone, ein dichtes Gefüge aus Zementleim. Der wesentliche Unterschied liegt bei der Verwendung von leichter Gesteinskörnung mit geringer Kornrohdichte (z.B. Lavaschlacke, Naturbimbs, Blähglas oder Blähton). Zudem findet bei diesem Leichtbeton ein verändertes Tragverhalten im Gefüge statt, da die leichte Gesteinskörnung eine geringere Festigkeit und ein niedrigeren E- Modul als der Zementstein besitzt. Ein Lastabtrag ist somit nur begrenzt über die Gesteinskörnung möglich und die Endfestigkeit steht somit im direkten Zusammenhang mit der erreichten Betondichte. Bei haufwerksporigen Leichtbetonen wird die Gesteinskörnung (normal oder leicht) lediglich mit dem Zementleim umhüllt, sodass kein dichtes Gefüge entsteht. Durch die Hohlräume zwischen den Körnern können so deutliche Reduzierungen der Betondichte erreicht werden. Eine weitere Maßnahme zum Erreichen eines haufwerksporigen Leichtbeton ist die Verwendung lediglich einer Korngruppe (Einkornbeton), sodass durch gezieltes Auslassen feinerer Bereiche der Sieblinie ein undichtes Gefüge erzielt wird. Solche Leichtbetone werden größtenteils für Mauersteine oder Drainbetone verwendet. Bei Porenbeton werden durch geplante chemische Reaktionen Luftporen im Gefüge bewirkt. Dabei reagieren die beigemischten Aluminiumpartikel mit dem Calciumhydroxid und Wasser des Zementleims zu Calciumaluminathydrat und Wasserstoff. Der dabei entweichende, gasförmige Wasserstoff bildet die Luftporen. Die Fertigung zur Gewährleistung gleichbleibender Betonzusammensetzungen und Baustoffeigenschaften findet dabei ausschließlich stationär in Werksanlage (meist unter Autoklavierung) statt. Porenleichtbeton bzw. Schaumbeton kann entweder als physikalisch oder mechanisch aufgeschäumter Beton hergestellt werden. Für eine physikalische Aufschäumung werden dem Beton maßgeblich Luftporenbzw. Schaumbildner beigefügt. Die Erzeugung der Poren wird dabei durch die Mischenergie erzielt. Bei mechanisch aufgeschäumtem Beton wird einem bereits gemischten Feinbeton (< 1mm GK) ein Tensid- oder Proteinschaum untergerührt. Dieser wird mittels Schaumgenerator hergestellt. Auf Grund der vorliegenden Gegebenheiten (Mischen vor Ort, Gefällefähigkeit, Gefügedichtheit etc.) fiel die Wahl auf einen gefügedichten Leichtbeton 2.3 Entwicklung In Kooperation mit der Firma Pagel wurde im Vorfeld der Maßnahme eine Versuchsreihe angelegt, um einen gefällefähigen Leichtbeton auf Blähglasgranulat-Basis zu konzipieren, welcher trotz geringer Dichte eine ausreichende mechanische Performance liefert. Besonders relevant war dabei eine für diesen Individualfall benötigte Frühfestigkeit zur weiteren Bearbeitung der Fläche. Weiterhin sollte der neue Leichtbeton mit einer Mindestaufbauhöhe von 30 mm so eingebaut werden können, dass ausreichend Gefälle zu den neu gesetzten Ablaufkörpern entstand, was wiederum eine spezielle Einbaukonsistenz erforderte. In der nachfolgenden Tabelle sind Auszüge der entwickelten Leichtbetone dargestellt. Tabelle 1: Dichten, Druck- und Biegezugfestigkeiten der entwickelten Leichtbetone Bezeichnung / Eigenschaft LB v1 LB v2 LB v3 ρ cm,6d (g/ cm³) 0,89 1,27 1,5 f cm,1d (N/ mm²) n.m. 10,55 22,2 f cm,4d (N/ mm²) 2,1 12,25 27,2 f cm,7d (N/ mm²) 2,7 14,7 31,5 f ctm,1d (N/ mm²) n.m. 3,1 4,4 f ctm,4d (N/ mm²) 0,7 3,2 4,8 f ctm,7d (N/ mm²) 0,9 3,5 4 Logistisch werden solche Betone meist mittels Kübeln oder Silos gefördert, da bei der Verwendung von Pumpen unter Umständen durch einen erhöhten Pumpdruck Wasser aus dem Zementleim in die Kornporen gedrückt wird und somit eine Komprimierung stattfindet. Die dadurch geringere Wassermenge im Zementleim kann zusätzlich ein zügigeres Ansteifen des Betons verursachen. Des Weiteren dehnt sich unter einem abfallenden Förderdruck die eingeschlossene Luft in den Gesteinskörnungen aus, wodurch angebundenes Wasser aus dem Korn herausgedrückt wird. Die Folge ist ein Wassersaum um die Gesteinskörnung, welcher nach der Aushärtung als poröser Ring eine lokale Schwachstelle darstellt. Zudem können Förderleitung unter Abfall des Förderdrucks und 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 665 Instandsetzung und Gewichtsreduzierung einer Brücke mit Leicht- und Carbonbeton in Kombination der damit verbundenen Ausdehnung der Porenluft im Leichtbeton vollständig verstopfen. Beim Mischen des gefügedichten Leichtbetons ist zwingend auf eine schonende Mischtechnik zurückzugreifen, da Hochleistungsmischer mit Metallpaddeln die leichte Gesteinskörnung zerstören bzw. zermahlen können. Ein Aufschwimmen der Gesteinskörnung ist bei der Eingestellten Konsistenz nicht möglich. 3. Instandsetzung Der entwickelte Leichtbeton wurde auf der gesamten Fläche aufgetragen und als eine Art schwimmender Estrich verlegt. Dabei wurden die vorhandenen Unebenheiten ausgeglichen und eine neue Gefällesituation hergestellt (Abbildung 4). Auf Grund seiner rauen Oberfläche und der Tatsache, dass bei diesem Leichtbeton nicht die Glaskörnung die Haupttragfähigkeit gewährleistet, sondern der besonders feine Zementleim, konnte auf eine zusätzliche Untergrundvorbereitung (z.B. Kugelstrahlen) für die weitere Aufbetonschicht verzichtet werden. Der entwickelte Leichtbeton besitzt im Vergleich zu bereits bekannten, porösen Systemen eine deutlich geringere Wasseraufnahmefähigkeit an der Oberfläche. Somit konnte nach Aufbringen einer Haftbrücke problemlos nass-in-nass der Aufbeton eingebaut werden (Abbildung 5). Um bei der Aufbetonschicht zusätzlich Gewicht zu sparen, und gleichzeitig eine Aussteifung mit statischer Verstärkung zu ermöglichen, fiel die Wahl auf Carbonbeton. Als Bewehrung wurde für diese Anwendung ein SBR-getränktes, quadratisches Carbongelege der Güte 24K gewählt. Die Einbettung erfolgte in einem PCC-M3-Mörtel (ca. 50 N/ mm² Druckfestigkeit nach 28 Tagen) mit einem Größtkorn von 2 mm. Um die zuvor hergestellte Gefällesituation beizubehalten, wurde der Carbonbeton mit konstant 3 cm Schichtdicke im Laminierverfahren aufgebaut (Abbildung 6). Lediglich in den Rampenbereichen (Anschluss zu den Bestandsflächen) musste mehrlagig gearbeitet werden. Für einen zusätzlichen Verschleißschutz wurde die Brücke anschließend mit einem OS 11a-Beschichtungssystem versehen (Abbildung 7). Die seitlichen Anschlüsse erfolgen als OS-10 mit Vliesarmierung. Durch den Einsatz des Leichtbetons konnte insgesamt etwa die Hälfte der Auflast im Vergleich zu gewöhnlichen Konstruktionsbetonen gleicher Schichtdicke eingespart werden. 4. Fazit Zusammenfassend ist festzustellen, dass sich die Kombination aus Leicht- und Carbonbeton optimal für Anwendungen im Bereich der Lastreduzierung mit besonderen Anforderungen an die Oberflächenbeschaffenheit (v.A. geringe Rissbreiten) eignet. Durch den Einsatz des Leichtbetons konnte etwa die Hälfte der Auflast im Vergleich zu gewöhnlichen Konstruktionsbetonen gleicher Schichtdicke eingespart werden. Durch den Entfall von aufwendigen Arbeitsschritten wie Abstützungen, Verstärkungen, Neubemessung, Fördertechnik etc. und deutlich geringeren Sperrzeiten sind sogar Kostenreduzierungen mit dieser Methode realisierbar. Literaturverzeichnis [1] C. Kulas, Zum Tragverhalten getränkter textiler Bewehrungselemente für Betonbauteile, RWTH Aachen: Dissertation, 2013. [2] D. Koch und B. Neuberger, Der Zukunftspreis in Parbauten, Esslingen: Tagungsband Parkbauten, TAE, 2017. [3] D. Koch und B. Neuberger, „Neue Anwendungsmöglichkeiten für Carbonbeton in der Betoninstandsetzung,“ Der Bausachverständige, Nr. 5, 2019. 666 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 Instandsetzung und Gewichtsreduzierung einer Brücke mit Leicht- und Carbonbeton in Kombination Anhang Abbildung 1 Verbindungsbrücke 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 667 Instandsetzung und Gewichtsreduzierung einer Brücke mit Leicht- und Carbonbeton in Kombination Abbildung 2 Betonfertigteilplatten und Schweißbahnen 668 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 Instandsetzung und Gewichtsreduzierung einer Brücke mit Leicht- und Carbonbeton in Kombination Abbildung 3 Gefällesituation bewirkt mangelhafte Entwässerung Abbildung 4 Einbau des Leichtbetons als schwimmender Estrich 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 669 Instandsetzung und Gewichtsreduzierung einer Brücke mit Leicht- und Carbonbeton in Kombination Abbildung 5 Zementöse Haftbrücke auf dem Leichtbeton Abbildung 6 Einlaminieren des Carbongeleges im Instandsetzungsmörtel 670 4. Kolloquium Brückenbauten - September 2020 Instandsetzung und Gewichtsreduzierung einer Brücke mit Leicht- und Carbonbeton in Kombination Abbildung 7 Fertige Brücke mit Oberflächenschutzsystem