Kolloquium Erhaltung von Bauwerken
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expert Verlag Tübingen
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Mobile Konzepte für die Sanierung von Betonbauwerken
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Simon Liebl
Björn Callsen
Stahlbetonbauwerke sind langlebige und dauerhafte Konstruktionen. Doch auch diese erreichen die geplante Lebensdauer nur durch regelmäßige Wartung und Sanierung. Ausführungsmängel und fehlende Überwachung können schon vorzeitig zu ungeplanten Sanierungsmaßnahmen führen. Für diese Maßnahmen gibt es zahlreiche etablierte Produkte und Sanierungssysteme. In der Regel sind diese meistens zementbasierte Reparaturmörtel und –betone. Viele Produkte sind auf Trockenmörtelbasis und finden sich in der Rubrik PCC-Mörtel wieder (Polymer Cement Concrete). Diese Mörtel und Betone werden bei größeren Einsatzmengen in Silos direkt auf der Baustelle vorgehalten, bei kleineren Sanierungen in 25kg Säcken. Die Herstellung und Verarbeitung von Sackware ist sehr personal- und zeitaufwändig. Um diese Produkte analog zu Transportbeton in größeren Mengen auf der Baustelle herstellen zu können hat die Fa. Holcim (Deutschland) GmbH eine radmobile Mischanlage entwickelt. Mit dieser Anlage ist es nun möglich viele Sanierungsbetone inklusive modifizierter Transportbetone direkt auf der Baustelle ohne aufwändige Baustelleneinrichtung herzustellen. Im Folgenden werden einige Anwendungen vorgestellt.
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7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 261 Erhaltungs- und Instandsetzungsprojekte mit UHFB - Anwendungen und Erfahrungen aus der Praxis Philipp Truffer Truffer Ingenieurberatung AG, Lalden/ Schweiz Zusammenfassung In den letzten Jahren wurden zahlreiche Bauaufgaben mit dem Einsatz von Ultra-Hochleistungs-Faserbeton (UHFB) realisiert. UHFB ist ein Hochleistungswerkstoff mit hervorragenden Eigenschaften, welcher jedoch insgesamt hohe Anforderungen an die Mischungszusammensetzung, die Herstellung und die Verarbeitung stellt. Im vorliegenden Beitrag werden unterschiedliche realisierte Projekte mit UHFB vorgestellt. Dabei wird auf die spezifischen Eigenheiten des UHFB eingegangen und anderseits sollen jedoch auch mögliche Probleme erläutert werden. Bei einem bestehenden Parkhaus wurde der UHFB als statisch wirksamer und direkt befahrbarer Belag eingesetzt. Ein anderes Beispiel zeigt die Anwendung des UHFB als Vorsatzschale von Mauern im Spritzwasserbereich einer Strasse. Der UHFB wurde zudem auch als schwimmende Druckverteilplatte auf einer Wärmedämmung ausgeführt. Schliesslich wird noch auf die Qualitätssicherung beim Einsatz von UHFB eingegangen. 1. Einleitung Beim Ultra-Hochleistungs-Faserbeton (UHFB) handelt es sich um einen modernen Werkstoff. UHFB wurde in den letzten Jahren international in verschiedenen Bereichen des Bauwesens bei Instandsetzungen oder Ersatzneubauten erfolgreich eingesetzt (siehe hierzu u.a. [1] bis [7]). Im vorliegenden Beitrag sollen anhand von konkreten Beispielen eigene Erfahrungen des Verfassers bei der Anwendung und Qualitätskontrolle von UHFB vorgestellt werden. Die konkreten Beispiele aus der Praxis sollen die spezifischen Eigenschaften und die Fülle von möglichen Anwendungsmöglichkeiten von UHFB darlegen. 2. Was ist Ultra-Hochleistungs-Faserbeton (UHFB)? Ultra-Hochleistungs-Faserbeton (UHFB) ist ein Hochleistungswerkstoff mit sehr hohen Festigkeiten, einem extrem dichten Gefüge und ausgezeichneten Dauerhaftigkeitseigenschaften (siehe nachfolgende exemplarische Auslistung): charakteristische Materialkennwerte von UHFB: • Druckfestigkeiten mind. 120 N/ mm 2 in der Praxis werden durchaus Festigkeit bis gegen 200 N/ m 2 erreicht • elastische Grenzzugfestigkeiten 7-12 N/ mm 2 • Elastizitätsmodul 40-60 kN/ mm 2 Diese Eigenschaften werden durch sehr hohe Zement-, Zusatzstoff- und Fliessmittelgehalte und gleichzeitig extrem niedrige Wasser-Bindemittel-gehalte (ca. 0.20) erreicht. Die Bindemittelgehalte betragen z.T. bis gegen 1‘100 kg/ m 3 . UHFB-Anwendungen stellen insgesamt hohe Anforderungen an den Mischungsentwurf/ Konzeption, die Herstellung und die Verarbeitung des Baustoffs. Der UHFB wird im Normalfall direkt auf Platz in speziellen Hochleistungsmischern hergestellt. Die nachfolgenden Abbildungen zeigen die wichtigsten Arbeitsschritte: • In einen ersten Schritt wird der sogenannte Premix in den Mischer gegeben (siehe Abb. 2-1 und 2-2). Es handelt sich dabei um eine vorkonfektionierte Trockenmischung bestehend aus Zement, feiner Gesteinskörnung (Grösstkörn im Normalfall kleiner 1 mm), Quarz- oder Kalksteinmehl sowie Zusatzstoffen wie z.B. Silikastaub. • Anschliessend erfolgt die Zugabe des Wassers und der Zusatzmittel (Hochleistungsverflüssiger). • Erst am Schluss werden die Mikrostahlfasern (Fasergehalt z.T. über 3 Vol-%) hinzugegeben (siehe Abb. 2-3). Die Zudosierung erfolgt dabei von Hand oder über Zudosiermaschinen. Bei der Zudosierung von Hand ist auf eine gleichmässige Faserverteilung zu achten (Vermeidung von sogenannter Igelbildung). In einigen Fällen sind die Mikrostahlfasern bereits dem Premix dazu gemischt. • Die gesamte Mischdauer beträgt dabei insgesamt zwischen 15 und 20 Minuten. 262 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 Erhaltungs- und Instandsetzungsprojekte mit UHFB - Anwendungen und Erfahrungen aus der Praxis Abb. 2-1: Premix aus Zement, Steinmehl und Silikastaub (links) und den Mikrostahlfasern (rechts) Abb. 2-2: Zugabe des UHFB-Premix in den Mischer, Anlieferung über Bigbags Abb. 2-3: Zudosierung der Mikrostahlfasern (separate Anlieferung in Säcken) von Hand Die zur Zeit eingesetzten Mikrostahlfasern sind gerade und weisen Längen um 12 bis 13 mm auf. Der Durchmesser beträgt dabei zwischen 0.175 bis 0.20 mm. Dies ergibt Faserschlankheiten von über 70. Die Mikrostahlfasern weisen eine sehr hohe Zugfestigkeit von über 2‘400 N/ mm 2 auf. UHFB ist in der Regel, je nach Anwendung, selbstverdichtend und er entlüftet sich folglich selbst. Aufgrund des hohen volumetrischen Feststoffgehalts weist UHFB eine hohe Viskosität auf (siehe Abb. 2-4). «Dies führt zu einer sehr langsamen Fliessbewegung während des Einbaus, in welcher der UHPC bereits wieder eine thixotrope Struktur aufbauen kann.» [8]. Damit besteht dann aber wiederum die Gefahr einer unzureichenden Entlüftung oder Formfüllung (siehe Beispiel 2). Abb. 2-4: hochviskose UHFB-Mischung im Mischer 3. Anwendungen aus der Praxis 3.1 Beispiel 1: Parkhaus P3, Saas Fee Instandsetzung und Verstärkung 3.1.1 Objektbeschrieb und Aufgabenstellung Das Parkhaus P3 in Saas Fee wurde in den Jahren 1979 bis 1981 erbaut. Es liegt im hochalpinen Raum auf einer Meereshöhe von rund 1‘800 Metern. Es handelt sich dabei um eine achtgeschossige Parkhalle mit ursprünglich insgesamt 950 Parkplätzen. Das Tragwerk ist ein offener Skelettbau mit einem mittigen Gebäudekern. Die 20 cm dicken Parkdecken sind mittels kunststoffummantelten Monolitzen ohne Verbund vorgespannt (Stützstreifen- und Feldvorspannung). Nähere Informationen zum Bauwerk sowie zur Zustandsuntersuchung finden sich in [1]. 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 263 Erhaltungs- und Instandsetzungsprojekte mit UHFB - Anwendungen und Erfahrungen aus der Praxis Die durchgeführte Zustandsuntersuchung sowie die statischen Überprüfungen zeigten u.a. folgende Ergebnisse: • Die Parkdecks weisen kein Oberflächenschutzsystem auf. • Es sind visuell erkennbare Betonschäden in Form von Rissen und Betonabplatzungen vorhanden. Diese beschränken sich jedoch auf lokale Erscheinungen. • Die Flachdecken weisen praktisch nur im Stützenbereich eine statisch wirksame Bewehrung auf. Aufgrund des damals gewählten hohen Vorspanngrads sind im Feldbereich zwischen den Stützen keine Bewehrungen vorhanden (siehe hierzu auch [9]. • Die Bewehrungen im Stützenbereich weisen grösstenteils eine ungenügende Betondeckung auf. • Es wurden durchwegs stark erhöhte Chloridgehalte bis in mehrere Zentimeter Tiefe und damit auch bis auf die Höhe der Bewehrung und Vorspannung festgestellt. • Zur Gewährleistung der Tragsicherheit und insbesondere des Durchstanzwiderstands ist die Stützenkopfbewehrung und die eingelegte Vorspannung in den Decken zwingend erforderlich. Die nominelle Tragsicherheit ist damit gewährleistet. • Die punktuell durchgeführten Sondageöffnungen in einzelnen Decken sowie die Überprüfung der Verankerungen bestätigten einen einwandfreien Zustand der Vorspannung. Die Monolitzen wurden dabei im Bereich der Sondagen auf einer Länge von rund einem Meter freigelegt. Die freigelegten Litzen wurden anschliessend mittels eines Hammers in Schwingung versetzt (siehe Abb. 3-1) und die Beschleunigung mit Hilfe eines auf der Litze befestigten, hochsensiblen Beschleunigungsmessers gemessen. Mittels Fourier Transformation konnte die Eigenfrequenz der freigelegten Litzenstücke bestimmt und schliesslich auf die verbleibende Spannkraft in den Litzen geschlossen werden. Abb. 3-1: Anregung der freigelegten Monolitze mit einem Gummihammer bei gleichzeitiger messtechnischer Erfassung der Schwingungs-parameter, Messstelle 5.1 Messdurchführung VSL (Schweiz) AG Der Zustand des Parkhauses wurde insgesamt als schadhaft mit einem hohen Gefährdungspotenzial eingestuft, so dass beschlossen wurde, eine ganzheitliche Instandsetzung einzuleiten. Dabei sollte eine Restnutzungsdauer von 50 Jahren angestrebt werden. 3.1.2 Instandsetzungskonzept Aufgrund des baulichen Zustands und unter der gegebenen Randbedingungen wurde für das Parkhaus folgendes Instandsetzungskonzept gewählt: • punktuelle Verstärkung der Parkdecks im Bereich der Stützen (siehe Abb. 3-2) mit einem UHFB • Hierzu wurden die entsprechenden Bereiche mittels Wasserhöchstdruck (HDW) bis auf eine Tiefe von 20 mm freigelegt. Dies hatte zudem den Vorteil, dass bis auf diese Tiefe der chloridverseuchte Beton entfernt werden konnte. • Die Flachdecken waren während den Instandsetzungsarbeiten unterspriesst. • kreuzweise Verlegung einer Stabbewehrung (siehe Abb. 3-3). Die bestehende schlaffe Bewehrung im Stützenkopfbereich wurde statisch nicht mehr berücksichtigt. • Einbau eines UHFB Sorte UA gemäss [11] mit einer Gesamtschichtstärke von 50 mm (siehe Abb. 3-4). Dies ergab eine Überhöhe von 30 mm. Der UHFB wurde dabei oberflächenparallel zur bestehenden Decke eingebaut. • Der UHFB bewirkt neben der Schutzfunktion eine zusätzliche statische Verstärkung (Erhöhung des Biege- und Durchstanzwiderstands). • Die seitlichen Anrampungen zur Überbrückung der Überhöhe wurden schliesslich mit einem kunststoffmodifizierten Zementmörtel der Klasse R4 gemäss SN EN 1504-3 ausgeführt (siehe Abb. 3-5). Abb. 3-2: Grundriss (Ausschnitt) Parkdeck mit den lokalen Verstärkungsmassnahmen mittels UHFB (gelb markiert) 264 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 Erhaltungs- und Instandsetzungsprojekte mit UHFB - Anwendungen und Erfahrungen aus der Praxis Nachfolgend noch ein paar ergänzende Überlegungen zum Instandsetzungskonzept und der gewählten Ausführungsart: • Auf den ursprünglich vorgesehenen vollflächigen Einbau eines UHFB-Belags wurde verzichtet. Einerseits ist im Feldbereich keine Bewehrung vorhanden und anderseits konnte im Rahmen der vorgängig durchgeführten Eignungsversuche bei den UHFB- Oberflächen ein Herausstehen der Mikrostahlfaser nicht verhindert werden. Dies stellt im vorliegenden Fall nicht unbedingt für die Menschen oder Fahrzeuge ein Problem dar. Damit sollten vielmehr mögliche Verletzungen von Tieren wie z.B. Hundepfoten verhindert werden. • Erfahrungen von anderen ausgeführten direkt befahrenen UHFB-Oberflächen zeigen, dass die herausstehenden Mikrostahlfasern nach relativ kurzer Zeit (Winterperiode) aufgrund der Feuchte- und Chlorideinwirkungen abgetragen sind (siehe [5]). • Beim Einsatz der neuen UHFB-Schicht konnte zudem darauf abgestützt werden, dass nach dem Schweizerischen Merkblatt SIA 2052 [11] reduzierte Bewehrungsüberdeckungen möglich sind («Die Bewehrungsüberdeckung c nom beträgt im Allgemeinen 15 mm.»). Gleichzeitig reduzieren sich auch die Verankerungslängen von gerippten Bewehrungsstählen und Matten aus Bewehrungsstahl auf mindestens den 15-fachen-Bewehrungsdurchmesser. • Die Parkdecks weisen ein Gefälle von 4.5 % auf. Dies führte dazu, dass der UHFB entsprechend thixotroper eingestellt werden musste (siehe Abb. 2-4 und 3-4). Diese Anforderung an die Gefälleignung wurde vorgängig im Rahmen der Einungsprüfung nachgewiesen. • Wie unter 2. erwähnt wird der UHFB im Normallfall selbstverdichtend eingestellt. Im vorliegenden Fall reichte eine Oberflächenbearbeitung mit einem niederfrequenten Abziehbalken um eine optimale Verfüllung und Verdichtung zu erhalten. • In die frische Oberfläche des UHFB wurde am Schluss eine Quarzsandmischung eingearbeitet. • Optional ist noch der Einbau einer vollflächigen Parkdeckbeschichtung OS 8 vorgesehen. • Aufgrund der Bedeutung der Vorspannung beim vorliegenden Parkhaus und aufgrund des guten Zustands der Monolitzen wird für die Vorspannung ein umfassendes Monitoringsystem eingebaut werden. • Schliesslich wird die Instandsetzung noch durch allfällig erforderliche Massnahmen zur Gewährleistung der Erdbebensicherheit ergänzt werden. Abb. 3-3: hydrodynamischer Betonabtrag im Bereich der Stützen mit der neu eingelegten Zusatzbewehrung Abb. 3-4: Einbau des UHFB (steife Konsistenz! ) Abb. 3-5: mit UHFB verstärkte Stützenköpfe auf den Parkdecks 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 265 Erhaltungs- und Instandsetzungsprojekte mit UHFB - Anwendungen und Erfahrungen aus der Praxis 3.2 Beispiel 2: Instandsetzung Einstellhallen 3.2.1 Objektbeschrieb und Aufgabenstellung Bei den vorliegenden Objekten handelt es sich um insgesamt vier Einstellhallen, welche unmittelbar und parallel zur bestehenden öffentlichen Strasse in den Hang gebaut worden sind (siehe Abb. 3-6). Die Einstellhallen befinden sich auf einer Meereshöhe von rund 1‘300 Metern. Abb. 3-6: Einstellhalle C, unmittelbar neben der öffentlichen Kantonsstrasse Die talseitige Abschlusswand entlang der Strasse ist dabei extremen Einwirkungen aus Taumitteleinwirkungen, Frost, Hitze und mechanischen Einwirkungen durch den Einsatz des Schneepflugs ausgesetzt. Die Zustandsuntersuchungen zeigten u.a. dass die Karbonatisierung bereits hinter die Bewehrung reichte und es waren erhöhte Chloridbelastungen im Sockelbereich der Betonwände bis auf etwa 70 cm Höhe vorhanden. Zudem waren an den exponierten Wänden zahlreiche vertikal verlaufenden Trennrisse festzustellen. Diese dürften die Ursache bei fehlenden Dilatationsfugen sowie thermisch bedingte Spannungen im Beton haben. Die punktuell durchgeführten Rissbewegungsmessungen mittels Rissmonitoren zeigten erhebliche Rissbewegungen (siehe Abb. 3-7). 3.2.2 Instandsetzung Diese Ausgangslage erschwerte eine nachhaltige Instandsetzung der Wände. Starre Mörtelschichten aber auch kunststoffmodifizierte Beschichtungen vermögen nicht die temperaturbedingten Rissbewegungen aufzunehmen. Zudem musste davon ausgegangen werden, dass alle oberflächigen Massnahmen an der strassenseitigen Oberfläche durch Schneepflugeinwirkungen beschädigt oder gar zerstört würden. Aufgrund der mechanischen Kennwerte des UHFB wurde schliesslich im Sockelbereich eine Vorsatzschale aus UHFB der Sorte UA eingebaut. Der UHFB wirkt dabei als Oberflächen- (Chlorideinwirkungen) und Abrasionsschutz. Aufgrund seiner Zähigkeit (Mikrostahlfaserbewehrung) ist er zudem in der Lage die thermischen Spannungen rissefrei zu übernehmen. Abb. 3-7: Oberflächentemperatur- und Rissbewegungsverlauf Aussenwand, Messperiode 1 Woche im April 2019 266 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 Erhaltungs- und Instandsetzungsprojekte mit UHFB - Anwendungen und Erfahrungen aus der Praxis • Hierzu wurde vorgängig der chloridbelastete Beton auf deine Tiefe von rund 30 mm und einer Gesamthöhe von 90 cm (inkl. Fundationsbereich) hydrodynamisch entfernt. • Anschliessend wurde der UHFB mit einer Gesamtschichtstärke von ca. 60 mm eingebaut (siehe Abb. 3-8). • Der UHFB wies bei der Herstellung ein Setzfliessmass von 510 mm bei einer Fliesszeit t 500 von 3s auf. Abb. 3-8: Einbau des UHFB im Sockelbereich der Aussenwände der Einstellhalle Abb. 3-9: Bildung einer sogenannten «Elefantenhaut» auf dem UHFB im Kipper Abb. 3-10: eingebauter UHFB im Sockelbereich Die Schwarzfärbung des UHFB ergab sich aufgrund des eingesetzten Zuschlagstoffs. • Der UHFB wurde dabei punktuell mittels Schalungsrüttlern nachverdichtet. Der Einbau erfolgte anfangs am Vormittag bei steigenden hochsommerlichen Temperaturen. Es zeigte sich dabei, dass der UHFB relativ schnell ansteifte (eingeschränkte Konsistenzhaltung), es bildete sich zeitweise auf dem noch nicht eingebauten UHFB eine sogenannte «Elefantenhaut» (siehe Abb. 3-9). Dabei handelt es sich um eine zähe Zementleimschicht, welche die Entlüftung des UHFB erschwerte. Der Einbau und die manuelle Verarbeitung wurden zudem dabei erheblich beeinträchtigt. Das Verarbeitungsfenster für den UHFB musste folglich in den frühen Vormittag vorverschoben werden. Bis auf kleine, lokal bei der Erstetappe vorkommende Schwachstellen konnten keine unzulässigen Hohlstellen und/ oder Entmischungserscheinungen an den ausgeschalten Flächen festgestellt werden (siehe Abb. 3-10). 3.3 Beispiel 3: Instandsetzung Parkhaus 3.3.1 Objektbeschrieb und Aufgabenstellung Bei einem bestehenden Parkhaus in Zermatt musste der befahrbare Aussenbereich mit der Zufahrt instandgesetzt werden. Auf dem Vorplatz über der Einstellhalle waren eine bituminöse Abdichtung und ein Walzasphaltbelag eingebaut. Es war keine Gefälle und somit keine funktionierende Entwässerung vorhanden. 3.3.2 Instandsetzung Aufgrund der beschränkten Höhenverhältnisse, der stark belasteten Fläche (Einwirkung durch Schwerverkehr und Gabelstaplerbetrieb mit Schneeketten) sowie der engen zeitlichen Vorgaben wurde beschlossen auf einer Fläche von rund 290 m 2 einen UHFB-Belag im Gefälle einzubauen. Dieser erfüllt im vorliegenden Fall gleichzeitig 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 267 Erhaltungs- und Instandsetzungsprojekte mit UHFB - Anwendungen und Erfahrungen aus der Praxis eine Abdichtungsfunktion (Verzicht auf eine zusätzliche Abdichtung) sowie die Funktion eines direkt befahrbaren, abrasionsbeständigen Nutzbelags. Die wesentlichsten Arbeitsschritte lassen sich wie folgt zusammenfassen: • Abbruch bestehender Asphaltbelag und Verbundabdichtung • Untergrundbearbeitung Decke mittels Feinfräse und anschliessendem Kugelstrahlen • partieller Einbau eines Hartbetonbelags zur Gefällsausbildung (siehe Abb. 3-11). Damit sollte die Einbaumenge des UHFB minimiert werden. • Kugelstrahlen der Hartbetonoberflächen • Einbau von befahrbaren Entwässerungsrinnen (Verdunstungsrinnen) • Einbau von Membran-Abdichtungsbändern entlang der Bauteilanschlüsse an die bestehenden Tore und Wände • Einbau eines Ultra-Hochleistungs-Faserbetons der Sorte UA in 2 Etappen, Schichtstärke variabel, minimal 20 mm, Abstreuung der Oberfläche mit einem Hartstoff • Der UHFB wurde unmittelbar während des Einbaus zwischen- und nach Abschluss mit einem Curing Compound nachbehandelt. Schliesslich wurden die Einbauflächen jeweils am Folgetag noch zusätzlich mit einer PE-Folie vollflächig abgedeckt (siehe Abb. 3-12 und 3-13). Abb. 3-11: Einbau des Hartbetons (Gefällsausbildung) Flügelglättung Abb. 3-12: manueller Einbau des UHFB im Gefälle gegen die neuen Entwässerungsrinnen Abb. 3-13: eingebauter UHFB-Nutzbelag, mit PE-Folien abgedeckt 3.4 Beispiel 4: Einsatz von UHFB als schwimmender und befahrbarer Estrichbelag 3.4.1 Objektbeschrieb und Aufgabenstellung Aufgrund eines Schadenfalls musste bei einem Vierstern- Hotel der Vorplatz im Erdgeschoss und im 1. Untergeschoss instandgesetzt werden. Der bestehende Plattenbelag aus Natursteinen musste dabei vollflächig ersetzt werden. Der Belag im Erdgeschoss wird dabei von Elektrofahrzeugen (Gesamtgewicht bis 4 Tonnen) befahren. Im 1. Untergeschoss bildet der Belag den Aussenbereich einer Wellnessanlage mit einem dazugehörigen Schwimmbad (siehe Abb. 3-16). Währenddem der Belag im 1. UG als Verbundbelag auf der bestehenden Bodenplatte ausgebildet werden konnte, war im Erdgeschoss zwischen der Deckenkonstruktion und dem Belag noch eine zusätzliche Wärmedämmschicht vorhanden. Der Belag hatte hier also zusätzlich noch eine Verteilfunktion zu übernehmen. 268 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 Erhaltungs- und Instandsetzungsprojekte mit UHFB - Anwendungen und Erfahrungen aus der Praxis 3.4.2 Instandsetzungskonzept Bei beiden Decken kam ein UHFB-Belag zur Anwendung. Dabei spielten neben den technischen Anforderungen an das gewählte System zusätzlich auch hohe ästhetische Vorgaben (Vierstern-Hotel) eine entscheidende Rolle. Der UHFB auf der Bodenplatte im Lichthof wurde als Verbundbelag eingebaut (siehe Abb. 3-14). Die Schichtstärke betrug 20 mm. Auf eine Abdichtung konnte damit verzichtet werden. Die Anschlussbereiche wurden mittels Membranabdichtungsbändern realisiert. Die konstruktive Ausbildung im Erdgeschoss stellte eine Herausforderung dar. Die ursprünglich vorgeschlagene Druckverteilplatte mit einem Deckenbeton aus dem Verkehrsbereich (frost-tausalzbeständig) war mit einer Dicke von 120 mm grenzwertig und vermochte zudem die Bauherrschaft vom ästhetischen Standpunkt nicht zu überzeugen. Folglich entschied man sich für einen UHFB-Belag. Dieser wurde als schwimmend verlegte Druckverteilplatte mit einer Schichtstärke von 50 mm konzipiert. Die Fugeneinteilung im Belag wurde dabei nur auf die erforderlichen Arbeitsetappen abgestellt. Es wurden keine zusätzlichen Fugen ausgebildet. Durch die reduzierte Dicke des UHFB-Belags konnte die Wärmedämmschicht verstärkt werden. Unter dem UHFB-Belag wurde vorgängig auf der Wärmedämmung/ Gefällsdämmung eine zweilagige Polymerbitumenabdichtung mit einer darüberliegenden Drainschicht eingebaut. Bei beiden Belägen konnten nicht die rohe Oberfläche des UHFB belassen werden. Der Wellnessbereich im 1. Untergeschoss ist Barfussbereich für die Gäste. Allfällig herausstehende Mikrostahlfasern hätten eine permanente Verletzungsgefahr für die Gäste bedeutet. Im Erdgeschoss hätte der fertige UHFB-Nutzbelag nicht den hohen ästhetischen Anforderungen der Bauherrschaft zu genügen vermögen. Abb. 3-14: Einbau UHFB im Verbund auf Bodenplatte im 1. UG Abb. 3-15: Einbau UHFB (schwimmend) im Rampenbereich Erdgeschoss (Gefälle) auf Wärmedämmung und zweilagig verlegter Polymerbitumen-Abdichtung Abb. 3-16: fertig eingebauter UHFB mit Color-Quarz- Einstreuschicht Lichthof Wellness/ Schwimm-bad 1. Untergeschoss Auf die eingebrachten UHFB-Beläge wurden daher jeweils in separaten Arbeitsgängen noch zusätzliche dampfdiffusionsoffene Epoxy-Sandträgerschichten eingebaut. Im UG d.h. im Aussenbereich des Wellness wurde im Barfussbereich diese Schicht mit einem Color-Quarz abgestreut (siehe Abb. 3-16). Im Erdgeschoss wurde eine grün eingefärbte Siliciumcarbid-Abstreuung eingebaut (siehe Abb. 3-17). Dies soll auch einen entsprechenden Abriebwiderstand gegenüber dem Elektrofahrzeugbetrieb auf dem Vorplatz gewährleisten. 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 269 Erhaltungs- und Instandsetzungsprojekte mit UHFB - Anwendungen und Erfahrungen aus der Praxis Abb. 3-17: fertig eingebauter UHFB mit Einstreuschicht Siliciumcarbid im Rampenbereich Erdgeschoss Die Ausführung der beiden UHFB-Beläge hat sehr gut geklappt. Einzig die Ausbildung der Arbeitsfugen bedurfte noch entsprechender Anpassungen. Durch die relativ grossen Felder beim schwimmenden UHFB-Belag sind die thermisch bedingten Bewegungen der Platten entsprechend grösser. 3.5 Beispiel 5: Verstärkung einer Brückenplatte mit einem UHFB 3.5.1 Objektbeschrieb und Aufgabenstellung Bei diesem Beispiel galt es auf einer bestehenden Brückenüberführung nachträglich eine statische Verstärkung durchzuführen und gleichzeitig die Abdichtung zu ersetzen. Die Strassenbrücke führt über mehrere Bahnlinien und weist dabei ein beidseitiges Gefälle auf. 3.5.2 Instandsetzungskonzept Wie bereits in einigen Fällen ausgeführt, wurde im vorliegenden Fall ein mit schlaffer Bewehrung verstärkter UHFB auf den vorbereiteten Betonuntergrund eingebaut. Der Einbau erfolgte dabei in mehreren Etappen. Auf die Oberflächen des eingebauten UHFB wurden unmittelbar beim Abziehen ein Zwischennachbehandlungsmittel (Verdunstungsschutz) aufgebracht. Es handelte sich hierbei um eine Emulsion bestehend aus Öl und Wasser. Sobald der UHFB trittfest war, wurde zudem ein flüssiges Nachbehandlungsmittel (Curing Compound) aufgesprüht und die Oberflächen mit einer PE-Folie vollflächig abgedeckt. Nachfolgend soll auf einige spezifische Probleme und Erkenntnisse im Rahmen der Bauausführung eingegangen werden: • Aufgrund der Anforderung an die Gefälleeignung wies der UHFB eine erhöhte Viskosität auf. • Dies war den Beteiligten von Anfang an klar, so dass die entsprechenden Arbeiten während des Hochsommers bewusst auf die Nacht verschoben wurden. • Im Rahmen der ersten Einbauetappe kam es während des Einbaus zu einem längeren Stromausfall, so dass sich die Einbauarbeiten bis in den späten Vormittag hinzogen. • Aufgrund der steigenden Temperaturen und der Sonneneinstrahlung veränderte sich die Konsistenz immer mehr, so dass der Einbau erschwert und schliesslich nicht mehr möglich war (siehe Abb. 3-18). Der Einbau wurde unterbrochen und eine zusätzliche Etappe musste vorgesehen werden. Abb. 3-18: Einbau UHFB 1. Etappe • Trotz der vorgängig beschriebenen Nachbehandlungsmassnahmen wurden am Folgetag auf der UHFB-Oberfläche lokal Risse festgestellt (siehe Abb. 3-19). Es handelte sich hierbei um Frühschwindrisse. Abb. 3-19: Rissbild UHFB-Oberfläche, 1. Etappe 270 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 Erhaltungs- und Instandsetzungsprojekte mit UHFB - Anwendungen und Erfahrungen aus der Praxis Abb. 3-20: halbierter Bohrkern Fahrbahnplatte mit Riss (Pfeil) im UHFB Zur Abklärung wie tief die Risse im UHFB vorhanden sind, wurden verschiedene Bohrkernproben entnommen und anschliessend im Labor untersucht (siehe Abb. 3-20). Dabei zeigte es sich, dass die Risse maximal 10 mm, bei einem Einzelriss 22 mm tief im UHFB vorhanden waren. 4. Eignungs- und Qualitätskontrollen Das in der Schweiz eingeführte Merkblatt SIA 2052 [11] behandelt u.a. auch den Aspekt der Qualitätssicherung von UHFB. Dabei werden Prüfungen für den UHFB bei den Erstprüfungen, den periodischen Qualitätsprüfungen des Herstellers sowie den Eignungs- und Qualitätsprüfungen auf der Baustelle beschrieben. Die nachfolgende Tabelle 5 aus dem erwähnten Merkblatt fasst die entsprechenden Prüfungen, in diesem Fall für UHFB, welcher als Premix angeliefert wird, zusammen. Im Rahmen der Frisch-UHFB-Prüfungen geht es neben den traditionellen Frischbetonuntersuchen wie der Bestimmung des Wassergehalts, des Luftgehalts und der Rohdichte auch um die messtechnische Ermittlung von Rheologie-Parametern, welche man auch bei der Anwendung von selbstverdichtenden Betonen (SVB) kennt. Die Fliessgrenze bzw. das Fliessvermögen wird dabei über das Setzfliessmass nach EN 12350-8 bestimmt. Die Viskosität wird mit der Fliesszeit t 500 ermittelt. Dabei zeigt die Erfahrung, dass bei UHFB’s mit Gefälleeignung das Setzfliessmass und insbesondere die Fliesszeit nicht unbedingt die geeigneten Untersuchungsmethoden darstellen. Zum Teil kann bei hochviskosen Mischungen die Fliesszeit gar nicht messtechnisch erfasst werden. Allenfalls kann als Alternative zur Bestimmung der Viskosität die Trichterauslaufzeit ermittelt werden. Weitere wichtige Untersuchungsbzw. Nachweiskenngrössen stellt die Verarbeitungszeit dar. Diese definiert den Zeitraum, in welchem der UHFB gutes Fliessverhalten, gute Selbstverdichtung sowie eine gute Selbstentlüftung aufweist. Daneben spielen zusätzlich auch das Rücksteifverhalten und die Temperaturempfindlichkeit des Frisch-UHFB’s eine wichtige Rolle. Verarbeitungszeit und Temperaturempfindlichkeit kennzeichnen schliesslich die Robustheit des UHFB. Die Mikrostahlfasern werden vielfach händisch zur Mischung dazugegeben. Zur Kontrolle des effektiven Fasergehalts im frischen UHFB kann entweder ein Auswaschversuch oder das Stahlfasergerät (siehe Abb. 4-2) eingesetzt werden. Beim letzteren handelt es sich um ein induktives Messverfahren. Abb. 4-2: Stahlfasergerät 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 271 Erhaltungs- und Instandsetzungsprojekte mit UHFB - Anwendungen und Erfahrungen aus der Praxis Abb. 4-1: Tabelle 5 aus [11] Beim ausgehärteten UHFB werden hauptsächlich die Druckfestigkeit und die Biegezugfestigkeit bestimmt. Bei der Biegezugprüfung wird die Kraft-Durchbiegungs- Antwort unter einer 4-Punkt-Biegung eines Prüfkörpers aus UHFB ermittelt (siehe Abb. 4-3). Es handelt sich dabei um einen verformungsgesteuerten Versuch, welcher grosse Anforderungen an die Steuerung der Prüfeinrichtung stellt. Dabei werden Platten mit den Abmessungen 30 mm x 100 mm x 500 mm geprüft. Die Herstellung der entsprechenden Probekörper (siehe Abb. 4-4) beeinflusst die Ausrichtung der Fasern und hat daher je nach Konsistenz einen gewissen Einfluss auf die Ergebnisse. Abb. 4-3: 4-Punkt-Biegezugversuch nach MB SIA 2052 272 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 Erhaltungs- und Instandsetzungsprojekte mit UHFB - Anwendungen und Erfahrungen aus der Praxis Abb. 4-4: Herstellung der Probeplatten mit einem relativ hochviskosen UHFB Abb. 4-5: Kraft-Durchbiegungs-Kurven aus dem Biegezugversuch an Platten Abb. 4-6: qualitative Bestimmung des Fasergehalts an einer UHFB-Platte (Querschnitt 30x100 mm) nach dem Biegezugversuch mittels LIPS, Schnittfläche mit Abstand der Faserlänge zum Riss Um schliesslich allfällige Streuungen bei den Ergebnissen der Biegezugversuche auf Plausibilität hin zu untersuchen, besteht u.U. der Bedarf den Fasergehalt und die Faserverteilung am erhärteten UHFB nachzuweisen. Hierzu besteht neben fotooptischen Methoden auch die Möglichkeit der Anwendung der laserinduzierten Plasmaspektroskopie (LIPS). Dieses Verfahren ist u.a. auch in [12] und [13] näher erläutert. Die Abb. 4-6 zeigt eine entsprechende Auswertung. 5. Fazit Mit dem Hochleistungswerkstoff UHFB konnten in den letzten Jahren zahlreiche Anwendungen durchgeführt und entsprechende Erfahrungen gesammelt werden. Typische Anwendungen sind dabei eher flächige und filigrane Bauteile. Für den Einsatz von UHFB bedarf es in 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 273 Erhaltungs- und Instandsetzungsprojekte mit UHFB - Anwendungen und Erfahrungen aus der Praxis jedem Fall einer sorgfältigen Planung und guten Vorbereitung der Ausführung. Zur Erreichung einer ausreichenden Formfüllung in Abhängigkeit der Geometrie des zu füllenden Bauteils sind Mindestanforderungen an die Fliessgrenze und Viskosität festzulegen. Das Fliess- und Entlüftungsverhalten muss an die Fragestellung und an die Bauteilgeometrie angepasst werden. Die Verarbeitungszeiten und auch die Temperaturempfindlichkeit des anzuwendenden UHFB muss bereits im Rahmen von Eignungsprüfungen untersucht und bei der Ausführung berücksichtigt werden. Der Zwischen- und der Nachbehandlung muss bei UHFB-Flächen eine erhöhte Aufmerksamkeit geschenkt werden. Durch den ohnehin kleinen Wassergehalt verträgt es keine zusätzlichen Verdunstungsverluste beim UHFB. Den Fachleuten stehen heute eine Vielzahl von Möglichkeiten zum Eignungsnachweis und zur Qualitätsüberwachung bei UHFB-Anwendungen zur Verfügung (z.B. Merkblatt SIA 2052 [11]). 6. Ausblick Der Anwendung von UHFB sind grundsätzlich keine Grenzen gesetzt. Er eignet sich u.a. auch für nachfolgende Einsatzgebiete: • Wasserbau: Bauteile mit Anforderungen an einen erhöhten Abrasionsschutz • Industriebau: Bauteile, welche chemischen Einwirkungen ausgesetzt sind • Vorfabrikation: dünnwandige Bauelemente im Fassaden- oder Brückenbau • weitere… Hinsichtlich der Materialtechnologie sind aktuell schon erste Anwendungen von UHFB mit einem Ersatz der Mikrostahlfasern durch synthetische Fasern durchgeführt worden. Im Hinblick auf die Nachhaltigkeit wird es künftig auch darum gehen die CO 2 -Bilanz von UHFB zu minimieren. Dies kann man beispielsweise durch eine Reduzierung des Portlandzementklinkeranteils und des Fliessmittelgehalts sowie den Ersatz der Mikrostahlfasern durch gewellte Stahlfasern grösseren Durchmesser erreicht werden. Literatur [1] Brühwiler E., Oesterle C., Redaelli D.: 3. Fachtagung Ultra-Hochleistungs-Faserbeton 2019, Freiburg/ Schweiz ISBN 978-3-906878-07-2 [2] Brühwiler E. et al: Bau einer Bahnbrücke aus bewehrtem UHFB - Weltweit erste Bahnbrücke aus UHFB auf einer Hauptlinie Beton- und Stahlbetonbau 114 (2019) [3] Methner R., Müller R.: Brückeninstandsetzung, Ertüchtigung und Abdichtung mit Ultrahochfestem- Faserbeton (UHFB) Beton- und Stahlbetonbau 114 (2019) [4] Cuennet St.: Nutzung des Ultra-Hochleistungs- Faserbeton (UHFB) im ASTRA - Rückblicke und Perspektiven 4. Kolloquium Brückenbauten, September 2020, Technische Akademie Esslingen [5] Hadl P. et al: Anwendung von UHPC als direkt befahrener Aufbeton bei der Integralisierung eines bestehenden Brückenbauwerks in Österreich Beton- und Stahlbetonbau 110 (2015) [6] Orgass M. et al: Überführungsbauwerk der L 3378 bei Fulda-Lehnerz, Erster Einsatz von UHPC in Deutschland im Strassenbrückenbau, Teil 2: Betontechnologie und Qualitätssicherung Beton- und Stahlbetonbau 113 (2018) [7] Fischer O. et al: Deutschlandweit erstmalige Anwendung von UHPFRC im Eisenbahnbrückenbau, Beton- und Stahlbetonbau 114 (2019) [8] Kränkel Th.: Ultrahochfeste Betone: anwendungsorientierte Optimierung hinsichtlich der Verarbeitbarkeit und Festbetoneigenschaften, FKSB-Fachtagung Betontechnologie - aktuelle Themen und Erkenntnisse, 2020 [9] Truffer Ph.: Parkhaus P3, Saas Fee - Moderne Untersuchungsmethoden und ein innovativer Ansatz bei der Instandsetzung eines chloridverseuchten Bauwerks, 9. Kolloquium Parkbauten 2020, Technische Akademie Esslingen [10] Deutscher Ausschuss für Stahlbeton: Ultrahochfester Beton - Sachstandsbericht, 2008, Heft 561 [11] Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein SIA, Zürich: Ultra-Hochleistungs-Faserbeton (UHFB) - Baustoffe, Bemessung und Ausführung, SIA 2052: 2016, inkl. Korrigendas [12] Millar St. et al: Chemische Zustandsanalyse von Stahlbetonbauwerken mit der laserinduzierten Plasmaspektroskopie (LIBS), [13] Truffer. Ph. et al: Wie lange noch? - Semiprobabilistische Dauerhaftigkeitsbemessung bei Parkdecks mit Chlorideinwirkung mittels Einbezug von LIBS-Untersuchungen, 9. Kolloquium Parkbauten 2020, Technische Akademie Esslingen
