| FGSV-Nr. | FGSV B 29 |
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| Ort | Würzburg |
| Datum | 17.09.2009 |
| Titel | Betondecken mit CEM II / CEM III-Zementen – Zustandsbewertung |
| Autoren | Dr.-Ing. Marko Wieland |
| Kategorien | Betonstraßen |
| Einleitung | Bei der Herstellung von Betonfahrbahndecken kommen in Deutschland vorzugsweise Portlandzemente zur Anwendung, da mit dieser Zementart hinreichende Erfahrungen vorliegen. In vielen Bereichen des Betonbaus werden jedoch seit einigen Jahren zunehmend CEM II- und CEM III-Zemente verwendet. Durch den gezielten Einsatz von CEM II- und CEM III-Zementen im Betonstraßenbau lässt sich z. B. die Ökologie des Bauwerkes „Betonstraße“ verbessern, da unter anderen bei der Herstellung dieser Zemente vergleichsweise weniger CO2 emittiert wird. Um diesen Vorteil nutzen zu können, sollte eine allgemeine Erfahrungssammlung erstellt werden. Hierfür wurden die im bundesdeutschen Fernstraßennetz befindlichen Betonfahrbahndecken mit CEM II- und CEM III-Zementen ermittelt sowie deren Oberflächensubstanz begutachtet und bewertet. Bis dato konnte festgestellt werden, dass diese im Vergleich zu den CEM I-Betonen Auffälligkeiten an der Betonoberfläche aufweisen können. Ferner wurde auf Verkehrsflächen aus CEM II-Beton nach sehr langer Nutzungsdauer ein Gebrauchs- bzw. Substanzwert < 1,5 ermittelt. |
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| Volltext | Der Fachvortrag zur Veranstaltung ist im Volltext verfügbar. Das PDF enthält alle Bilder und Formeln.1 Problem, ZielstellungIn der heutigen Zeit wird zunehmend bei der Herstellung von Straßen neben den Gebrauchseigenschaften, der Dauerhaftigkeit und der Wirtschaftlichkeit auch die Ökologie betrachtet, um die Nachhaltigkeit der Bauwerke zu prüfen. So werden neben Kostennutzenanalysen auch umweltbezogene Lebenszyklusanalysen durchgeführt, in denen z. B. alle stofflichen und energetischen Ein- und Ausgänge der verschiedenen Prozesse (Herstellung, Recycling, etc.) Beachtung finden. Ferner verlangt die Umsetzung internationaler Klimaschutzprogramme, dass die diesbezüglichen Potenziale auch im Bereich des Straßenbaus genutzt werden. Bei der Herstellung von Betondecken können diese darin liegen, einzelne Massen- bzw. Stoffströme (wie Gestein, Zement) entsprechend zu optimieren und zu einem hochwertigen Produkt „Straßenbeton“ zu verarbeiten. Hier ergibt sich unter anderen bei der Verwendung geeigneter Zemente ein nennenswertes Optimierungspotenzial. So können durch Substitution des Portlandklinkers, die theoretisch bei einem CEM III/C bis zu 95 % betragen kann, natürliche Rohstoffressourcen (Kalkstein, Ton und Mergel) sowie die zum Brennen des Portlandklinkers erforderliche Energie eingespart werden. Bezogen auf die Emission von Luftschadstoffen wird bei der Herstellung von CEM II- und CEM III-Zementen wesentlich weniger CO2 freigesetzt als bei der Herstellung von Portlandzement. Im benachbarten Ausland finden derartige Zemente seit längerer Zeit im Betonstraßenbau Anwendung. Neben Belgien ist an dieser Stelle Österreich zu nennen. Hier werden seit vielen Jahren ausschließlich CEM II/A-S (DZ) und seit ca. 5 Jahren auch CEM II/B-S (DZ) als Decken-zemente (DZ) eingesetzt. In Deutschland kamen bis dato vorzugsweise Portlandzemente zur Anwendung, obgleich schon erste Regelwerke des Betonstraßenbaus, z. B. die „Anweisung für den Bau von Betonfahrbahndecken“ von 1937 [1], den Einsatz von Eisen-portlandzement (heute: CEM II/…-S) sowie Hochofenzement (heute: CEM III) zuließen. Aus diesem Grund wurde im AA 8.2 der FGSV eine allgemeine Zustandsbewertung der im bundesdeutschen Fernstraßennetz vorhandenen mit CEM II- und CEM III-Zementen ausgeführten Betonfahrbahndecken angeregt. Dabei sollte der Umfang der CEM II- und CEM III-Betondecken erfasst und eventuelle zementartspezifische Unterschiede durch eine Bewertung der Oberflächensubstanz abgeleitet werden. Die Untersuchungen erfolgten durch den Bundesverband der Deutschen Zementindustrie e. V. (BDZ), die Gütegemeinschaft Verkehrsflächen aus Beton e. V. und die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt). Das Ziel der Arbeit bestand neben der Erfahrungssammlung darin, allgemeine Angaben – bezogen auf die Dauerhaftigkeit bzw. die Eignung derartiger Betone – im Betondeckenbau abzuleiten.
2 Methodik des VorgehensDie Ermittlung der Verkehrsflächen aus CEM II- und CEM III-Beton erfolgte in einer bundesweit angelegten Recherche, in der Regelwerke, themenverwandte Veröffentlichungen, Erhebungen der BASt sowie der Zementindustrie Berücksichtigung fanden. Für eine ganzheitliche Betrachtung wurden auch jene Verkehrsflächen ermittelt, die nicht dem primär zu betrachtenden bundesdeutschen Fernstraßennetz zuzuordnen waren. In einem weiteren Schritt erfolgte eine Auswahl bzw. Unterteilung der Verkehrsflächen nachfolgenden Kriterien:
Bei einer ersten Befahrung wurden zunächst die einzelnen Streckenabschnitte in ihrer Gesamtheit besichtigt und dann drei Teilabschnitte mit je 50 m Länge, die das Gesamtbild der Strecke gut widerspiegeln, für die anschließende visuelle Begutachtung und Dokumentation festgelegt. Für die Bewertung der Oberflächentextur wurde auf diesen Flächen die Makrotexturtiefe mittels Sandfleckmethode und auf Waschbetonoberflächen zusätzlich die Profilspitzenzahl (Gesteinskörner: d ≥ 4 mm) als Mittel aus 3 Teilflächen von je 25 cm² bestimmt. Die Auswahl der Messstellen erfolgte grundsätzlich in Abhängigkeit der vorgefundenen Oberflächenverhältnisse und nicht gemäß Regelwerk. Geplant ist weiterhin, die ZEB-Daten in die allgemeine Zustandsbewertung der untersuchten Strecken einzubeziehen.
3 Zemente im Betondeckenbau3.1 Entwicklungen in DeutschlandDie ersten Ausführungen von Betonstraßen in Deutschland sind auf das Jahr 1888 (Blücherplatz in Breslau) zurückzuführen. Zwischen 1888 und 1914 war die Fläche der gebauten Betondecken mit ca. 300 000 m² eher gering [2]. Über die damals verwendeten Zemente stehen heute keine zweckdienlichen Informationen zur Verfügung. Das erste Merkblatt „Merkblatt für den Bau von Betonstraßen“ erschien 1928 und enthielt noch keine konkreten Angaben über die zu verwendende Zementart und ließ insofern eine freie Auswahl zu. Erst im Jahr 1937 wurden Angaben zu den Zementarten in das Vorschriftenwerk [1] aufgenommen. Für die Herstellung von Deckenbeton war eine äquivalente Verwendung von PZ (heute: CEM I), EPZ (heute: CEM II/…-S) und HOZ (heute: CEM III) zulässig. Gemäß diesen Regelwerken entstanden allein zwischen 1934 und 1939 ca. 63 Mio. m² Deckenbeton [2]. Es ist davon auszugehen, dass in dieser Zeit auch Betonfahrbahndecken mit EPZ und HOZ ausgeführt wurden. Stellvertretend kann hier ein Streckenabschnitt der BAB A 4 bei Meerane genannt werden, dessen Herstellung zwischen 1936 und 1937 mit einem EPZ erfolgte [3]. Vergleichsweise wurde in den USA zu dieser Zeit für die Betondeckenherstellung fast ausschließlich PZ verwendet [2]. Nachfolgende Richtlinien für den Bau von Betondecken ließen ebenfalls den äquivalenten Einsatz von PZ-, EPZ- und HOZ-Zementen zu. Erst im Jahr 1995 wurden die damals gültigen ZTV Beton-StB 93 durch das „Allgemeine Rundschreiben Straßenbau (ARS) Nr. 19/1995“ [4] ergänzt und der Portlandzement CEM I 32,5 R zum „Deckenzement“ deklariert, da nur mit diesem Zement ausreichende Erfahrungen vorlagen. In Abstimmung mit dem Auftraggeber waren auch Portlandhüttenzement, Portlandschieferzement, Portlandkalksteinzement (CEM II/A-L) oder Hochofenzement (CEM III/A mind. Festigkeitsklasse 42,5) zulässig. Ferner weist das oben genannte ARS darauf hin, dass Strecken, bei denen derartige Zemente eingesetzt werden, anzuzeigen sind und eine sorgfältige Dokumentation der Zement- und Betoneigenschaften sowie der Randbedingungen des Betoneinbaus zu erfolgen hat, um die weitere Erfahrungssammlung voranzutreiben. Auch 4 Jahre später weist [5] erneut darauf hin, dass keine hinreichenden Praxiserfahrungen mit CEM II- und CEM III-Zementen für den Bau von Fahrbahndecken aus Beton vorliegen. Jedoch ist zu erwähnen, dass CEM II- und CEM III-Zemente bis zum Ende der 1990er Jahre einen geringen Marktanteil in Deutschland besaßen. Das derzeitig gültige Regelwerk, die TL Beton-StB 2007 [6], erlaubt für die Herstellung von Fahrbahndecken aus Beton verschiedene Normzemente (DIN EN 197-1) bzw. Normzemente mit besonderen Eigenschaften (DIN 1164-10) der Festigkeitsklassen 32,5 oder 42,5. In Abstimmung mit den Bauherren können neben dem im Regelfall zu verwendenden Portlandzement (32,5 R oder 42,5 N) jedoch auch folgende Zementarten der Festigkeitsklassen 32,5 oder 42,5 verwendet werden:
Für CEM I-Zemente (32,5 R) werden dort die Anforderungen an bestimmte Eigenschaften, wie Wasseranspruch, max. Druckfestigkeit nach 2 Tagen und Mahlfeinheit festgelegt. Ferner werden für alle Zemente der Erstarrungsbeginn sowie der Gesamtalkaligehalt (Na2O-Äquivalent) bezogen auf die Zementart geregelt. 3.2 Verwendete Zemente in DeutschlandIn der BASt werden unter anderen von den im Bundesfernstraßenbau verwendeten Zementen Rückstellproben verwahrt. Die Zusammenstellung der in den letzten 15 Jahren eingegangenen Proben ergab, dass es sich zu 97,6 % um CEM I-, zu 1,7 % um CEM II- und zu 0,7 % um CEM III-Zement handelte. Das Bild 1 zeigt die Anzahl der eingegangenen Rückstell-proben, unterteilt nach der Zementart, für die Jahre 1994 bis 2008. Bild 1: Anzahl der zwischen 1994 und 2008 registrierten Zementrückstellproben in der BASt 3.3 Verwendete Zemente im benachbarten AuslandIm benachbarten Ausland werden für die Herstellung von Fahrbahndeckenbeton verschiedene Zemente verwendet. Schweiz In der Schweiz sind für die Herstellung von Deckenbeton grundsätzlich Portlandzemente der Festigkeitsklasse 42,5 zu verwenden. Sind andere Zementsorten vorgesehen, sind die Betoneigenschaften nachzuweisen [7]. Belgien In Belgien beträgt die Länge des Autobahnnetzes (Motorways, Highways und Expressways) ca. 1 747 km. Der Anteil in Betonbauweise wird auf ca. 40 % geschätzt. Bezüglich der Bauweise ist hier eine Differenzierung in Plattenbauweise (Dübel + Anker) oder durchlaufend bewehrte Fahrbahndecke vorzunehmen. Für die Herstellung von Straßenbaubeton werden die Zemente CEM I 42,5 LA und CEM III/A 42,5 LA (entspricht einem NA-Zement) verwendet. Österreich In Österreich beträgt der Anteil der Betonbauweise im Autobahnnetz, das eine Länge von ca. 2 100 km besitzt, ca. 38 %. Das Regelwerk schreibt seit längerer Zeit den Einsatz von CEM II/..S (DZ) als Deckenzement vor. An die Zemente werden Anforderungen bezüglich Erstarrungsbeginn (EB 120), Biegezugfestigkeit nach 28-Tagen (Bz 7), Mahlfeinheit (max. Blaine-Wert 4 000 cm²/g), Zementtemperatur ab Werk (≤ 80 °C) und Dehnung bei Anwesenheit von reaktiver Kieselsäure in der Gesteinskörnung gestellt [8]. Niederlande In den Niederlanden beträgt der Anteil an Fahrbahndecken aus Beton ca. 10 % des Autobahnnetzes, das eine Gesamtlänge von ca. 2 360 km besitzt. In Betonbauweise werden hier vornehmlich durchgehend bewehrte Fahrbahndecken hergestellt, die aus Gründen der Lärmemissionsverminderung mit einem offenporigen Asphalt überbaut werden (Kompositbauweise). Für die Herstellung der Decken wird in den meisten Fällen Portlandflugaschezement (CEM II/B-V 32,5 R) verwendet. Selten kommen auch reine Portlandzemente zum Einsatz.
4 Verkehrsflächen mit CEM II- und CEM III-Zementen in Deutschland4.1 Ermittelte VerkehrsflächenInsgesamt konnten für die Herstellung von Verkehrsflächen aus Beton über den Zeitraum der letzten 31 Jahre 24 Anwendungen mit CEM II- bzw. CEM III-Zementen ermittelt werden [9 bis 13]. 16 Anwendungen fallen dabei in die Straßenklassen „Bundesautobahn“ und „Bundesstraße“. Hinzu kommen weitere 8 Verkehrsflächen, die einer starken Verkehrsbelastung unterliegen, z. B. Werkstraßen oder Flugverkehrsflächen. 4.2 Verkehrsflächen des UntersuchungsprogrammsEs wurden nur Verkehrsflächen des Bundesfernstraßennetzes, deren Länge mind. 500 m beträgt, berücksichtigt. So fallen in das Untersuchungsprogramm insgesamt 15 Strecken. In der Tabelle 1 ist die Anzahl der Strecken, Straßenklasse „Bundesautobahn“/„Bundesstraße“, bezogen auf die Kriterien Deckenalter und Oberflächentextur dargestellt. Tabelle 1: Anzahl der Bundesfernstraßen (Länge ≥ 500 m) mit CEM II- bzw. CEM III-Zementen (1978 bis 2009) bezogen auf die Unterteilungskriterien Straßenklasse, Alter und Texturtyp Die Länge des deutschen Autobahnnetzes beläuft sich derzeit auf ca. 12 500 km. Für die 12 Streckenabschnitte auf Bundesautobahnen mit einer Gesamtlänge von ca. 60 km ergibt sich somit ein Anteil von 0,5 %. Bezogen auf den Anteil an Betonstraßen, der ca. 30 % des Autobahnnetzes beträgt, ergibt sich dieser zu ca. 1,6 %. 4.3 Beispiele für vormalige VerkehrsflächenFür Betondecken, deren Herstellung weit vor 1978 mit EPZ oder HOZ erfolgte, ist anzu-nehmen, dass sie nach Ablauf ihrer Lebensdauer erneuert oder überbaut wurden. So berichtet z. B. [3] von Verkehrsflächen auf Bundesautobahnen, deren Herstellung vor 1940 erfolgte. Insbesondere wird ein Teilabschnitt der BAB A 4 (AS Meerane – AS Glauchau) benannt, dessen Herstellung zwischen 1936/37 mit einem EPZ erfolgte. Diese Betondecke wurde 1992, nach 55-jähriger Nutzung, mit Asphalt überbaut und später erneuert. Unter anderem wird in [14] über Versuchsstrecken berichtet, die zwischen 1935 und 1938 zur Vertiefung der Erkenntnisse, mit EPZ und HOZ gebaut wurden. Ferner wird in [15] über EPZ- und HOZ-Betondecken im Bereich von Landes- und Bundesstraßen berichtet. 5 Ergebnisse der Streckenbesichtigungen5.1 Zusätzliche OberflächenmerkmaleErgänzend zu den in den ZTV ZEB-StB [16] aufgeführten Zustandsmerkmalen für Betonoberflächen wurde der Zustand anhand weiterer Substanzmerkmale (Oberflächenmerkmale) erfasst. Diese eingeführten Merkmale sind in der Tabelle 2 aufgelistet und werden nachfolgend kurz umschrieben und fotografisch dargestellt. Tabelle 2: Zustandsmerkmale laut den ZTV ZEB und zusätzliche Oberflächenmerkmale Poren an der Betonoberfläche Die auf einigen Betonoberflächen festgestellten Poren „Wattwürmer“ besitzen eine mehr oder weniger ausgeprägte trichterförmige Öffnung. Das Bild 2 zeigt derartige Poren mit einem Durchmesser von ca. 0,7 mm, 1,0 mm und 3 mm. Bild 2: Geöffnete Poren auf einer Betonoberfläche mit Jutetuchtextur Krakelee- und Netzrisse Bei mehreren Strecken mit Jutetuchtextur zeigten sich verschiedenartig ausgeprägte Krakelee- und Netzrisse, wie in den Bildern 3 und 4 dargestellt. Die Rissöffnungsweiten lagen hier zwischen 0,10 mm und > 1 mm. Bild 3: Krakeleerisse mit einer Rissöffnungsweite von 0,10 bis 0,25 mm Bild 4: Krakeleerisse mit einer Rissöffnungsweite von 0,10 bis >1,0 mm Kornausbrüche Die nachfolgend beschriebenen Kornausbrüche betreffen maßgeblich Betonoberflächen mit einer Waschbetontextur. Unter Kornausbrüchen ist der Verlust einer oder mehrerer Gesteinskörner aus der Betonoberfläche zu verstehen. Diese Stellen sind an der Fahrbahnoberfläche insofern zu erkennen, als dass sie in der Mörtelmatrix ein Negativ (Formabdruck) des abgelösten Gesteinskornes erkennen lassen. Die im Bild 5 dargestellte Oberfläche weist mehrere solcher Kornausbrüche auf. Bild 5: Kornausbrüche auf einer Waschbetonoberfläche Fehlstellen Dem Merkmal Fehlstellen werden im Rahmen dieser Untersuchungen einige festgestellte Auffälligkeiten an der Betonoberfläche zugeordnet. Neben den Fehlstellen, die z. B. durch fehlenden Deckenschluss, Auswaschungen (Regenfeld), übermäßiges Ausbürsten etc. bei der Betondeckenherstellung entstehen und nach jahrelanger Nutzung nicht immer als solche zu erkennen sind, zählen auch Substanzverluste, die beispielsweise durch Abplatzungen entstehen, dazu. Die Bilder 6 bis 10 zeigen derartige Auffälligkeiten auf Betonoberflächen mit Jutetuchtextur. Bilder 6 bis 8: Abplatzungen an einer Betonoberfläche im Standstreifen (Bilder links), Fehlstelle (Bild rechts) Abwitterung Unter dem Merkmal Oberflächenabwitterungen ist maßgeblich der Verlust von kleinen oder größeren Mengen des Oberflächenmörtels und/oder Gesteinskörnung infolge Frost- und/oder Tausalzangriff zu verstehen. Dieses Oberflächenmerkmal beinhaltet gezwungenermaßen auch anteilig Verluste infolge Abriebs durch Verkehrsbelastung, lokal anzutreffende kleine Abplatzungen (pop-outs) usw., da eine genaue Unterteilung der Verluste bezogen auf die einzelnen Wirkmechanismen nicht möglich ist. Dabei ist grundsätzlich in homogen oder heterogen abgewitterte Oberflächen zu unterscheiden. Das Bild 9 zeigt die Oberfläche eines CEM II-Deckenbetons mit Jutetuchtextur, der heterogen ausgebildete Abwitterungen aufweist. Bild 9: Betonoberfläche mit heterogen ausgebildeten Abwitterungen 5.2 Rautiefen und Profilspitzen Unabhängig von der vorhandenen Oberflächentextur wurde die Rautiefe im Hauptfahrstreifen und sofern vorhanden im Seitenstreifen an ausgewählten Stellen ermittelt. Die minimalen, maximalen und mittleren Rautiefen [mm] der bisher untersuchten Strecken sind in der Tabelle 3 aufgeführt. Tabelle 3: Rautiefen der untersuchten Betonoberflächen Die Profilspitzenanzahl wurde auf 4 Untersuchungsstrecken an mehreren repräsentativen Stellen ermittelt. Zum Vergleich wurden die Profilspitzen auch auf zwei sich unmittelbar anschließenden – mit CEM I hergestellten Betonflächen – ermittelt. In der Tabelle 4 ist die minimale, maximale und mittlere Anzahl an Profilspitzen für einige Waschbetonstrecken dargestellt. Das Bild 10 zeigt die Makroaufnahme einer Waschbetonoberfläche mit einer mittleren Profilspitzenanzahl von 47 direkt nach der Herstellung. Ferner sind an der Betonoberfläche Poren zu erkennen, die sich zum Betrachtungszeitpunkt noch weitgehend durch einen Tabelle 4: Mittlere Profilspitzenanzahl der untersuchten Waschbetonoberflächen Bild 10: Makroaufnahme einer Waschbetonoberfläche mit CEM III-Zement 5.3 Festgestellte AuffälligkeitenIn der Tabelle 5 sind alle an der Betonoberfläche erfassten Auffälligkeiten aufgeführt, die im Rahmen der partiell durchgeführten Oberflächenbegutachtung per Augenschein festgestellt werden konnten. Tabelle 5: Ergebnisse der Streckenbegutachtung 5.3 Ergebnisse aus anderen UntersuchungenZementuntersuchungen Bei den in der BASt durchgeführten Standarduntersuchungen an den Zementrückstell-proben, hier werden 13 der insgesamt 15 zu untersuchenden Strecken abgedeckt, konnten keine Auffälligkeiten festgestellt werden. Makrotexturtiefen und Anzahl der Profilspitzen Für einige Strecken konnten Ergebnisse aus der Fremd- bzw. Eigenüberwachung zur Verfügung gestellt werden. Hier war festzustellen, dass die im Rahmen der Untersuchung ermittelten Messwerte in der Regel gut mit denen der Fremd- und Eigenüberwachung übereinstimmten. In einem Fall wiesen die Ergebnisse der Überwachung eine sehr viel größere Anzahl an Profilspitzen auf. Hier ist zu vermuten, dass bei der Zählung auch Gesteinskörnungen < 4 mm Beachtung fanden.
6 Diskussion der Ergebnisse6.1 Makrotexturtiefen und ProfilspitzenDie mittels Sandfleckmethode ermittelten Rautiefen weisen auf den einzelnen Streckenabschnitten mit der Oberflächentextur vom Typ I zum Teil große Unterschiede auf, die jedoch mit den visuell erfassten Eindrücken übereinstimmen. Die mittleren Rautiefen ergaben sich unabhängig vom Deckenalter zwischen 0,3 mm und 0,6 mm. Selbst nach fast 30 Jahren Nutzung konnten maximale Rautiefen von 0,6 mm und 1,1 mm sowie im Mittel von 0,5 mm bzw. 0,6 mm festgestellt werden. Dabei ergaben sich die kleineren Rautiefen wie erwartet im Bereich der Rollspuren und die größeren in Plattenmitte des Hauptfahrstreifens bzw. auf dem Seitenstreifen. Auf Strecken mit stark inhomogenen Abwitterungserscheinungen besteht für diese Zusammenhänge keine Gültigkeit. Die Ergebnisse zeigen jedoch, dass die Strecken im Allgemeinen einem mehr oder weniger starken Abwitterungsprozess unterliegen, der beispielsweise auf sehr alten Strecken eine mittlere Rautiefe von 0,6 mm bewirken kann. Da die Rautiefe der Fahrbahnoberfläche im Zusammenhang mit dem Zustandsmerkmal „Griffigkeit“ (GRI) betrachtet werden kann, lässt der Messwert eine gute Griffigkeit annehmen. Diese Vermutung konnte durch die ZEB-Daten bestätigt werden, da hier die Griffigkeit des gesamten Streckenabschnittes in die Zustandsklasse „besser als 1,5“ fällt. Vergleichsweise wurden bei einer wesentlich jüngeren Betondecke (< 10 Jahre) Rautiefen von maximal 0,4 mm und im Mittel von 0,3 mm festgestellt. Die Zustandsnoten der ZEB 2005 für die Griffigkeit lagen im gesamten Streckenabschnitt > 1,5. Für die Oberflächentexturen vom Typ II ergaben sich mittlere Rautiefen im Bereich von 0,6 mm bis 1,0 mm, welche die in den ZTV Beton-StB [17] festgelegte Anforderung an die Texturtiefe erfüllen. Die Anzahl der Profilspitzen wurde in Anlehnung an das österreichische Normenwerk ermittelt. Für eine Waschbetonoberfläche (GK 8 mm) wird hier ein Richtwert von 60 Profilspitzen (GK ≥ 4 mm) auf einer Prüffläche von 25 cm² empfohlen. Auf den untersuchten Flächen konnte in der Regel nur eine geringere Anzahl an Profilspitzen ermittelt werden. Das Bild 11 zeigt die Verteilung der Profilspitzen auf einer skalierten Prüffläche, die 42 ungleichmäßig verteilte Profilspitzen aufweist. Dieser Darstellung ist zu entnehmen, dass die 25 gebildeten Teilflächen minimal 0,5 und maximal 3 Profilspitzen aufweisen. Theoretisch sind bei einer homogenen Profilspitzenverteilung 2,4 Profilspitzen je Teilfläche notwendig, um die oben genannte Anforderung zu erfüllen. Für die Prüfung ist prinzipiell eine maßstäbliche zweidimensionale Darstellung zu empfehlen, in der alle Profilspitzen in ihrer Lage (Mittelpunktdarstellung) beachtet werden, um zusätzlich eine Aussage über die Profilspitzenverteilung treffen zu können. Ferner können durch die maßstäbliche Darstellung Überschneidungen zwischen den gezählten Profilspitzen, die sich im Bezug auf den Mindestdurchmesser (≥ 4 mm) der zu registrierenden Gesteinskörner ergeben, erkannt und wenn erforderlich die Anzahl der Profilspitzen berichtigt werden. Dem wird vorausgesetzt, dass die Gesteinskörnung die geforderte kubische bzw. gedrungene Kornform besitzt. Im Bild 11 ist ein derartiger Konfliktpunkt dargestellt. Eine Korrektur der Profilspitzenanzahl war in diesem Fall nicht erforderlich, da die beiden Gesteinskörner eine platte Kornform aufwiesen. Bild 11: Schematische Darstellung der Profilspitzenverteilung auf einer Prüffläche Die Bilder 12 und 13 zeigen beispielhaft zwei verschiedene Waschbetonoberflächen, die eine mittlere Profilspitzenanzahl von < 40 bzw. > 55 aufweisen. Bilder 12 und 13: Verschiedene Waschbetonoberflächen Das Bild 14 zeigt die Häufigkeitsverteilung der untersuchten Oberflächenmerkmale. In der weiteren Ergebnisdiskussion werden nur jene Merkmale beachtet, die mindestens auf 5 der 12 betrachteten Strecken festzustellen waren. Bild 14: Häufigkeitsverteilung der untersuchten Oberflächenmerkmale Auf eine Diskussion der klassischen Zustandsmerkmale Längs- und Querrisse sowie Eckabbrüche bzw. Kantenschäden wird an dieser Stelle verzichtet, da sie nur vereinzelt auftraten. Ferner zeigen die ZEB-Daten, die in vielen Fällen einen direkten Vergleich mit den Anschlussstücken aus CEM I-Beton zuließen, dass die Ergebnisse als nicht auffällig einzustufen sind. Die sogenannten zusätzlichen Oberflächenmerkmale Abwitterung, Poren an der Betonoberfläche, Krakelee- bzw. Netzrisse, Kornausbrüche und Fehlstellen waren jeweils auf mindestens 5 der bisher 12 untersuchten Strecken vorzufinden. Das Merkmal Abwitterung ist als besonders auffällig zu bewerten, da es auf 9 Strecken festgestellt wurde. Betroffen sind hier hauptsächlich Strecken mit Oberflächentexturen vom Typ I. Auf Waschbetonflächen ist allerdings ein Abwitterungsprozess nur schwer erkennbar, da dieser im Normalfall nur eine Zunahme der Rautiefe bewirkt. Auf 7 Strecken konnten Poren an der Betonoberfläche festgestellt werden. Davon betroffen waren sowohl Oberflächenstrukturierungen vom Texturtyp I als auch vom Typ II. Gleichermaßen wurden diese auch an CEM I-Streckenabschnitten ausgemacht. Derartige Poren sind direkt nach der Herstellung oft nur schwer erkennbar, wie das Bild 10 zeigt. Die Bilder 17 und 18 zeigen solche Poren nach ca. 2 bzw. 30 Jahren. Insbesondere für Waschbetonober-flächen, die derzeit standardmäßig als Oberflächentextur ausgeführt werden, ist die Problematik durch entsprechende Untersuchungen abzuklären. Bilder 17 und 18: Luftporen an der Betonoberfläche (links: CEM I Waschbeton nach ca. 2 Jahren und rechts: CEM II-Beton mit Besenstrich nach ca. 30 Jahren) Krakelee- bzw. Netzrisse konnten auf 6 Betonoberflächen vom Texturtyp I und vereinzelt an einer Waschbetonoberfläche festgestellt werden. Da sich Risse mit sehr geringer Riss-öffnungsweite (< 0,1 mm) nur sehr schwer erkennen lassen, kann nicht 100-prozentig ausgeschlossen werden, dass diese auch auf anderen Waschbetonstrecken vorkommen. Die Ursachen für derartige Risse können sehr vielfältig sein. Sie sind jedoch oft auf eine zu spät, unzureichend oder falsch ausgeführte Nachbehandlung zurückzuführen. Hier ist zu klären, welchen Einfluss diese Risse auf die Dauerhaftigkeit des Betons besitzen. Kornausbrüche konnten auf insgesamt 4 Strecken erkannt werden und sind in erster Linie für Waschbetonoberflächen von Bedeutung. Betroffen waren Betondecken mit CEM I-, CEM II und CEM III-Zementen. Die Bilder 19 und 20 zeigen exemplarisch ein ausgeprägtes und ein nicht ausgeprägtes Ausbruchverhalten auf zwei verschiedenen Betondecken mit CEM I-Zement. Die Ursachen sind auch hier als vielfältig einzustufen. So können Kornausbrüche schon direkt bei der Herstellung entstehen, wenn z. B. der Zeitpunkt für das Ausbürsten falsch gewählt wird. Zur genauen Ursachenermittlung sind entsprechende Untersuchungen notwendig. Grundlegend ist dabei anzuregen, Einflussgrößen wie Kornform, Korngröße, Bruchflächigkeit, Kornoberfläche, Anteil an Größtkorn, Texturtiefe bzw. Einbindetiefe der Gesteinskörnung im Oberflächenmörtel usw. zu berücksichtigen. Bilder 19 und 20: Ausgeprägtes und nicht ausgeprägtes Ausbruchverhalten auf Betondecken mit CEM I-Zement Fehlstellen konnten an sehr vielen Strecken festgestellt werden. Wie erwartet ist für dieses Merkmal auch kein direkter Zusammenhang zur verwendeten Zementart zu erkennen, da derartige Erscheinungen auch auf CEM I-Strecken anzutreffen waren. Vielmehr ist zu unterscheiden, ob diese Auffälligkeiten schon im Neuzustand – also direkt nach der Herstellung – oder erst im Laufe der Nutzung entstanden sind. Für den ersten Fall können als Ursache z. B. unzureichender Deckenschluss bei der Fertigung, Konsistenzprobleme im Frischbeton oder Regenereignisse in der Erhärtungsphase angeführt werden. Während der Nutzung können z. B. Abplatzungen infolge chemischer Treibreaktionen oder unzureichende Frost-Tausalz-Beständigkeit zu Substanzverlusten führen, deren genaue Ursachen im Allgemeinen nur durch umfangreiche Laboruntersuchungen abgeklärt werden können.
7 ZusammenfassungBei der Herstellung von Straßen werden neben den Gebrauchseigenschaften, der Dauerhaftigkeit und der Wirtschaftlichkeit zunehmend auch die Nachhaltigkeit und Ökologie betrachtet. Ferner appellieren internationale Klimaschutzprogramme, dass auch die im Bauwesen vorhandenen Optimierungspotenziale genutzt werden. Bezogen auf den Betonstraßenbau lassen sich beispielsweise durch den gezielten Einsatz von CEM II- und CEM III-Zementen CO2-Emmisionen bei der Zementherstellung reduzieren und die Ökologie des Bauwerkes „Betonstraße“ signifikant verbessern. Obgleich das Regelwerk für der Herstellung von Betondecken die Verwendung von CEM II- und CEM III-Zementen zulässt, finden in Deutschland hauptsächlich Portlandzemente Anwendung, da nur mit dieser Zementart hinreichende Erfahrungen vorliegen. Die Entwicklung in anderen Bereichen des Betonbaus zeigt, dass seit mehreren Jahren vermehrt CEM II- aber auch CEM III-Zemente Anwendung finden. Zugleich werden diese in anderen Ländern im Betonstraßenbau verwendet. So werden z. B. in Österreich für die Herstellung von Betondecken ausschließlich CEM II/..-S-Zemente verwendet. Im Rahmen dieser Untersuchung wurden in Zusammenarbeit mit dem BDZ e.V. sowie der Gütegemeinschaft Verkehrsflächen aus Beton e. V. die im bundesdeutschen Fernstraßennetz befindlichen Betonfahrbahndecken, die mit CEM II- und CEM III-Zementen hergestellt wurden, ermittelt sowie deren Oberflächensubstanz an ausgewählten Stellen visuell begutachtet und bewertet. Neben einer fotografischen Dokumentation wurden zusätzlich die Texturtiefe und die Anzahl der Profilspitzen bei Waschbetonoberflächen bestimmt. Für die Zustandsbewertung wurden für einige Strecken ergänzend die ZEB-Daten herangezogen. An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass die hier durchgeführte Zustandsbewertung nicht im Sinne der ZTV ZEB [16] zu betrachten ist. Bundesweit konnten 24 Verkehrsflächen ermittelten werden, die in den letzten 31 Jahren mit CEM II- oder CEM III-Zementen hergestellt wurden. Die Kriterien des Untersuchungs-programms erfüllten insgesamt 12 Streckenabschnitte auf Bundesautobahnen und 3 auf Bundesstraßen. An den bis dato 12 untersuchten Streckenabschnitten konnte festgestellt werden, dass die mit CEM II- und CEM III-Zement hergestellten Deckenbetone im Vergleich zu denen mit CEM I-Zement Auffälligkeiten an der Betonoberfläche aufweisen können. Dabei sind in erster Linie die mehr oder weniger stark ausgeprägten Abwitterungserscheinungen zu nennen, die auf allen der untersuchten Strecken vom Texturtyp I auffielen. Auf Waschbetonoberflächen ist ein Abwitterungsprozess durch einmaliges Begehen nicht erkennbar. Prinzipiell führt dieser zu einer Zunahme der Texturtiefe, die im Extremfall das Ausbrechen von Splittkörnern begünstigt. Als sonstige Auffälligkeiten sind Krakelee- bzw. Netzrisse zu nennen, die sich auf 5 Strecken vom Texturtyp I zeigten. An dieser Stelle sei nochmals auf die Nachbehandlung hingewiesen, die bei der Herstellung von Straßenbetonen mit hüttensandhaltigen Zementen eine Schlüsselrolle besitzt. In [18] werden die wesentlichen Einflüsse auf die Frührissbildung (frühe Nachbehandlung) sowie den Frost-Tausalz-Widerstand (spätere Nachbehandlung) des Deckenbetons beschrieben. Weiterhin konnte in den Begehungen wiederholt bestätigt werden, dass Betondecken mit CEM II- bzw. CEM III-Zementen eine erhöhte Helligkeit aufweisen. Dieser Vorteil beschränkt sich jedoch i. A. auf Oberflächen vom Texturtyp I, da auf Waschbetonoberflächen der Farbeinfluss der Gesteinskörnung überwiegt. Bei allen anderen festgestellten Auffälligkeiten konnten bisher keine Einflüsse, die sich aus der verwendeten Zementart ergeben könnten, erkannt werden, da sie auch auf den unmittelbar benachbarten CEM I-Referenzstrecken auftraten. Neben trichterförmig geöffneten Poren an der Betonoberfläche sind hier Kornausbrüche in der Oberflächentextur zu nennen, die auf vier der Untersuchungsstrecken vom Texturtyp II anzutreffen waren. Die Ursachen und die Auswirkungen von Kornausbrüchen gilt es daher alsbald zu klären. Unter Umständen bietet hier die oben dargestellte Abwitterungsproblematik einen ersten Ansatzpunkt. So stellt sich die Frage, ob die für Oberflächentexturen vom Typ I (Anteil an Mörtel überwiegt) zulässige Abwitterungsmenge von ≤ 1 500 g/m² für Oberflächen vom Texturtyp II (Anteil an Gestein überwiegt) geeignet ist. So weist [19] darauf hin, dass die für Waschbetonflächen zulässige Abwitterungsmenge überprüft werden sollte. Weiterhin sollten die Auswirkungen etwaiger Schwankungen, bezogen auf die Anforderungen an die Gesteinskörnung wie Kornform, Kornoberfläche, Korngrößenverteilung und Größtkorn überprüft werden. Die Notwendigkeit wird in sofern unterstrichen, als dass auf den untersuchten Waschbetonflächen die in Österreich empfohlene Profilspitzenanzahl (GK 8 mm à 60/25 cm²) nur selten ermittelt werden konnte. Prinzipiell ist davon auszugehen, dass derartige Störungen die gewünschte lärmmindernde Wirkung von Waschbetonoberflächen negativ beeinflussen. Tendenziell lässt sich aus den derzeit vorliegenden Ergebnissen ableiten, dass bei Verwendung von CEM II-Zementen im Vergleich zu CEM I-Zementen hinsichtlich der Dauerhaftigkeit des Deckenbetons sowie dessen Gebrauchseigenschaften keine signifikanten Unterschiede bestehen. Unterstützend können hier Ergebnisse der ZEB (2005) herangezogen werden, wonach z. B. der Gebrauchs- bzw. Substanzwert einer mit CEM II-Zement hergestellten Betonfahrbahndecke nach fast 30 Jahren Nutzungsdauer (20 001 bis 30 000 Kraftfahrzeuge je 24 Stunden im Jahresmittel 2005 – DTV –) [20] noch nahezu vollständig in der Zustandsklasse „besser als 1,5“ liegt. Jedoch ist dieses Resultat nicht ohne Vorbehalt in die heutige Zeit übertragbar, da die heutigen CEM II- und CEM III-Zemente nicht mit jenen vor 30 Jahren vergleichbar sind. So besitzt beispielsweise das Mahlverfahren, hier hat seit einigen Jahren die getrennte Mahlung von Klinker und Hüttensand an Bedeutung gewonnen, Auswirkungen auf die Zement- und Betoneigenschaften. Ferner ist zu beachten, dass der Anteil an CEM II- und CEM III- Betonfahrbahndecken im deutschen Fernstraßennetz in Betonbauweise einen sehr geringen Anteil besitzt. Daher werden an dieser Stelle nochmals die langjährigen Erfahrungen mit CEM II/A-S Zementen aus Österreich angeführt. Für CEM III-Zemente stehen zur Erfahrungssammlung nur zwei sehr junge Strecken zur Verfügung, die folglich keine abgesicherten Aussagen erlauben. Abschließend ist zu erwähnen, dass der derzeitige Bearbeitungs- und Erkenntnisstand noch keine endgültige Bewertung der Strecken zulässt. Ferner ist zu beachten, dass die im Rahmen dieser Untersuchung ermittelten Ergebnisse auf einer rein visuellen Begutachtung basieren und demzufolge nur eine sehr allgemeine Beurteilung der Strecken zulassen.
8 AusblickWie schon 1937 durch [2] dargestellt, besitzt die Betonbauweise einige wesentliche Vorzüge, die selbst nach 72 Jahren ihre Gültigkeit nicht verloren haben. Als Vorzüge der Betonbauweise wurden hier angeführt:
Der als konventionell geltende Betonstraßenbau hat sich in über 120 Jahren ständig weiter-entwickelt und wird sich aufgrund der ständig wachsenden Anforderungen auch künftig weiterentwickeln müssen. So lassen sich durch den gezielten Einsatz von Zementen künftig weitere Vorteile erzielen, wie z. B.:
5 Literaturverzeichnis
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