Betonfahrbahndecken unterliegen während ihrer Lebensdauer nicht nur statischen Beanspruchungen. Aufgrund des ständig steigenden Güterverkehrsaufkommens nehmen auch die zyklischen und dynamischen Verkehrsbeanspruchungen stetig zu. Durch die Überlagerung von hochfrequenten Beanspruchungen infolge Verkehrs mit niederfrequent veränderlichen thermischen und hygrischen Einwirkungen kommt es bei Betonfahrbahndecken kontinuierlich zu zyklischen Belastungen. In der Bemessung werden die Auswirkungen solcher Schwellbeanspruchungen bisher meist nur hinsichtlich des Versagens nach entsprechender Lastwechselzahl (Wöhlerlinie) und durch Schadensakkumulationshypothesen betrachtet. Aber auch schon weit vor Eintreten eines solchen Ermüdungsversagens treten im Betongefüge Veränderungen auf. Im Zuge der zyklischen Beanspruchungen bilden sich Mikrorisse, die somit quasi eine erste Gefügeschädigung im Mikrogefüge des Betons darstellen. Mit andauernder zyklischer Belastung schreitet dieser Prozess weiter voran. Eine solche Degradation kann erheblichen Einfluss auf die Steifigkeit und Festigkeit des Betons haben. Darüber hinaus wird auch der Widerstand des Betongefüges gegenüber dem Eindringen von Feuchtigkeit und Taumitteln herabgesetzt. In Vier-Punkt-Biegeschwellversuchen wurden charakteristische Straßenbetone mit bis zu 10 Mio. Lastzyklen belastet, wobei sukzessiv die Änderung der Steifigkeit (dyn. E-Modul) aufgezeichnet wurde. Nach Erreichen der jeweiligen Lastzyklen wurden an den Probekörpern die Rest-Festigkeiten (Biegezug-, Spaltzug-, Druckfestigkeit) und Rest-Steifigkeiten sowie das Ausmaß der Mikrorissbildung bestimmt. Es zeigte sich, dass ­ abhängig vom Spannungsniveau ­ die Steifigkeit des Betons schon nach wenigen Tausend Lastwechseln um ca. 10 % bis 15 % abnahm. Ebenso lag die Restbiegezugfestigkeit des zyklisch vorbelasteten Betons tendenziell um ca. 10 % unter der des nicht zyklisch vorbelasteten Betons, wenngleich sich bei einzelnen Prüfserien aufgrund größerer Prüfstreuungen kein eindeutiger Zusammenhang zwischen Lastwechselzahl und Festigkeitsabfall ableiten ließ.

Der Fachvortrag zur Veranstaltung ist im Volltext verfügbar. Das PDF enthält alle Bilder und Formeln.

1 Einleitung

Für das Langzeitverhalten von Betonfahrbahndecken spielen ermüdungsbedingte Veränderungen im Mikrogefüge des Betons, die sich in Form einer Mikrorissbildung darstellen, eine entscheidende Rolle. Mit solchen Gefügeauflockerungen kann unter anderem eine kontinuierliche Abnahme der Steifigkeit, verbunden mit einer Zunahme von Verformungen, einhergehen (Bild 1 links). Auch die Festigkeit und der Widerstand gegenüber dem Eindringen von Wasser und gelösten Medien (wie bspw. Taumittellösungen) können herabgesetzt werden (Hilsdorf, Kesler 1966) (Zhang, Wu 1997) (Breitenbücher, Schießl et al. 2012). Maßgeblich beeinflusst wird dieser stetig voranschreitende Degradationsprozess durch zyklisch/dynamisch einwirkende Beanspruchungen. Dabei zeigt sich im Allgemeinen bereits nach geringen Lastzyklen ein vergleichsweise hoher Abfall in der Steifigkeit, anschließend nimmt der Abfall nur moderat zu und erst kurz vor dem Versagen (Erreichen der Bruchlastzyklenzahl Nf) fällt die Steifigkeit signifikant ab, die Verformungen nehmen entsprechend rasch zu (Bild 1 links). Über die Lastwechselzahl N beziehungsweise die bezogene Lastwechselzahl (N/Nf) aufgetragen weist der Steifigkeitsabfall infolge einer zyklischen Belastung einen typischen ,,S-förmigen" Verlauf auf (Bild 1 rechts).

Bild 1: Degradation des Betons infolge zyklischer Belastung: Zunahme der Dehnungen und Abnahme der Steifigkeit (links) (Breitenbücher, Ibuk 2006) sowie Abnahme der Steifigkeit in Abhängigkeit des Spannungsniveaus (rechts) (Kessler-Kramer, Müller 2000)

Neben der Lastzyklenzahl wird der Abfall der Steifigkeit auch durch das jeweilige Spannungsniveau (/fc) beeinflusst (Bild 1 rechts) (Kessler-Kramer, Müller 2000). Bei Betonfahrbahndecken ist daher die Überlagerung der mit hoher Frequenz einwirkenden Verkehrsbelastung mit den niederfrequent veränderlichen thermischen und hygrischen Zwangsspannungen entscheidend (Bild 2).

Bild 2: Degradation des Betons infolge zyklischer Belastung, Abnahme der (Biegezug-)Festigkeit (Sievering 2012)

Dieses von allgemeinen Untersuchungen her bekannte Verhalten kann auch auf Betonfahrbahndecken übertragen werden. Bislang ist jedoch noch nicht näher untersucht worden, wie sich sowohl zyklisch veränderliche Verkehrslasten als auch veränderliche hygrische und thermische Einwirkungen quantitativ auf die Steifigkeiten und Festigkeiten für diese Betonflächen auswirken.

2 Untersuchungsprogramm

2.1 Betonrezepturen

Aufgrund der zunehmenden Forderungen nach einer möglichst geräuscharmen Ausführung der Betondecke wurde in Deutschland durch das BMVBS ARS Nr. 5/2006 ein zweischichtiger Aufbau mit einem Oberbeton als Waschbeton und einem klassischen Unterbeton im Verbund als Standardbauweise eingeführt. In den hier beschriebenen Untersuchungen wurden daher im Wesentlichen die beiden in der Tabelle 1 beschriebenen charakteristischen Straßenbetone zu Grunde gelegt, um möglichst reale Betonfahrbahndecken abbilden zu können.

Orientierend wurde außerdem ein Unterbeton Z betrachtet. Dieser entsprach in der Zusammensetzung dem Unterbeton U, wobei jedoch der Basaltsplitt durch eine quarzitische Kieskörnung substituiert wurde.

Tabelle 1: Betonzusammensetzungen

2.2 Zyklische Beanspruchung unter Biegeschwellbelastung

In den Hauptuntersuchungen wurden Prismen (150 x 150 x 700 mm³) dieser Straßenbetone im Vier-Punkt-Biegeschwellversuch mit teilweise bis zu 10 Mio. Lastzyklen zyklisch belastet. Als Oberspannungen o,i wurden 40 %, 50 % und 70 % der Biegezugfestigkeit festgelegt. Die zyklische Verkehrsbelastung wurde bei der Biegeschwellbelastung durch die Schwingbreite ­ also die Differenz zwischen Ober- und Unterspannung ­ berücksichtigt. Für eine nach den RStO 12 für eine Belastungsklasse Bk100 vorgegebene Betondecke (Dicke 27 cm) mit einer Querdehnzahl von = 0,20, einem Elastizitätsmodul E = 35.000 N/mm², einem Bettungsmodul k = 0,028 N/mm³, einem Kontaktdruck p = 0,7 N/mm² und einer Radlast von 57,5 kN ergibt sich mit der Näherungsformel nach Westergaard (Eisenmann, Leykauf 2003) für den Lastfall ,,Plattenmitte" eine Biegezugspannung von ca. 1,09 N/mm². Dementsprechend wurde die Schwingbreite in allen Versuchsserien mit 1,0 N/mm² angesetzt. Die Belastung wurde sinusförmig mit einer Frequenz f von 4,5 Hz aufgebracht (Breitenbücher, Kunz 2013).

Aus anderen Untersuchungen (Breitenbücher, Ibuk 2006) (Cornelissen 1984) (Zhang, Phillips et al. 1996) ist bekannt, dass die Degradationsprozesse erheblichen Streuungen unterliegen (Bild 3). Ebenso weist auch die Biegezugfestigkeit mitunter vergleichsweise große Streuungen von ca. 10 % bis 15 % auf.

Bild 3: Streubereich dynamischer E-Moduln, ermittelt in Ultraschalllaufzeitmessungen nach zyklischer Belastung (Breitenbücher, Ibuk 2006)

Um aus den hier beschriebenen Untersuchungen halbwegs abgesicherte Aussagen machen zu können, war es unumgänglich, die wesentlichen Kenngrößen mehrfach zu bestimmen. Dazu wurden jeweils 4 Prismen (Biegebalken) in dem im Bild 4 dargestellten, eigens hierfür entwickelten Prüfstand unter Ansteuerung eines einzigen Hauptzylinders gleichzeitig zyklisch belastet.

Bild 4: Prüfstand zur gleichzeitigen zyklischen Belastung von vier Prismen (150 x 150 x 700 mm³)

In einer ersten Prüfserie wurden die Prismen wie bei der Biegezugprüfung nach DIN EN 12390-5 üblich bis zur Prüfung unter Wasser gelagert. Während der Biegeschwellbelastung waren die Prismen in feuchten Tüchern und Frischhaltefolie eingewickelt, um ein Austrocknen zu vermeiden.

Im weiteren Verlauf der Untersuchungen wurden die Prismen in einer zweiten Prüfserie ab dem 14. Tag bei ca. 20 °C und 65 % rel. F. vorgelagert.

2.3 Erfassung der Degradation über Ultraschallmessungen

Nach jeweils definierten Lastzyklen wurden an der Biegezugseite die Ultraschalllaufzeiten von Rayleighwellen (Oberflächenwellen) gemessen (Bild 5) und daraus durch den Vergleich mit den Ultraschalllaufzeiten vor Belastungsbeginn relative dynamische E-Moduln errechnet (Gleichung 1 und Gleichung 2).

Bild 5: Prüfanordnung zur Bestimmung der Ultraschalllaufzeit

Formel siehe PDF

In einem wassergesättigten Beton ist davon auszugehen, dass Mikrorisse, die z. B. infolge zyklischer Belastung generiert wurden, ebenfalls wassergefüllt sind. Dies führt zu einer erheblichen Verzerrung der an diesen Betonen ermittelten Ultraschalllaufzeit, da die Schallimpedanzen (Produkt von Dichte und Schallgeschwindigkeit) von Wasser (Z0,Wasser,20°C 1,5 106 kg/ (m² s)) und Beton (Z0,Beton,20°C 8,4 10 6 kg/ (m² s)) eine ähnliche Größenordnung aufweisen. Schallwellen, die auf solche Grenzflächen zweier Medien nahezu gleicher Impedanz (Wasser und Zementstein/Gesteinskörnung) auftreffen, werden zum größten Teil transmittiert. Folglich tritt nur eine geringfügige Dämpfung auf, wodurch die Ultraschalllaufzeit des Betons durch diesen wassergefüllten Riss auch nur marginal verändert wird. Die Schallimpedanz der Luft unterscheidet sich demgegenüber mit Z0,Luft,20°C 416 kg/(m² s) um ein Vielfaches von der des Betons. Treffen Schallwellen auf solche Grenzflächen zweier Medien stark unterschiedlicher Schallimpedanz (Luft und Zementstein/Gesteinskörnung), so werden diese erheblich gestreut und gedämpft. Dementsprechend beeinflussen luftgefüllte Mikrorisse die Veränderung der Ultraschalllaufzeit des Betons in deutlich stärkerem Maße (Hering, Martin et al. 2007) (Krautkrämer, Krautkrämer 1986).

2.4 Weitere Prüfungen an den zyklisch vorbelasteten Probekörpern

Die im Prüfstand zyklisch vorbelasteten Straßenbetone wurden im Anschluss an die Biegeschwellbelastung, das heißt nach Beaufschlagung mit der festgelegten Anzahl an Lastzyklen, hinsichtlich Degradation weiter untersucht. An jeweils drei Prismen wurden die Rest-Festigkeiten (Biegezug-, Spaltzug-, Druckfestigkeit) und Rest-Steifigkeiten (statisch) ermittelt (Breitenbücher, Kunz 2013). Das vierte Prisma wurde herangezogen, um die Mikrorissbildung (lichtmikroskopisch) zu beurteilen.

3 Ergebnisse

3.1 Degradation, bewertet anhand des relativen dynamischen E-Moduls

In früheren Untersuchungen wurden in Biegeschwellversuchen nach mehreren Millionen Lastzyklen Steifigkeitsabnahmen von ca. 10 % bis 15 % gegenüber dem unbelasteten Beton festgestellt (Breitenbücher, Schießl et al. 2012) (Holmen 1979). Die Belastung erfolgte hierbei im Wesentlichen an Großprobekörpern, welche nach dem Ausschalen bis zur Prüfung an der Luft gelagert wurden. In den vorliegenden Untersuchungen wurden die Prismen in einer ersten Prüfserie demgegenüber im feuchten Zustand zyklisch belastet, um eventuell sich einstellende Eigenspannungen infolge Austrocknung an der Oberfläche zu verhindern. Die dabei ermittelten Abnahmen der relativen dynamischen E-Moduln fielen mit unter 5 % nach bis zu 2.000.000 Lastzyklen (bei einer Oberspannung o von 70 % der Biegezugfestigkeit) im Vergleich zu den bekannten Ergebnissen deutlich geringer aus (Bild 6). Für diese signifikant geringere Abnahme konnte einzig der erhöhte Feuchtegehalt (auch in den Mikrorissen) ursächlich sein (vgl. Abschnitt 2.2). Aus diesem Grund wurden in einer zweiten Prüfserie weitere Prismen derselben Biegeschwellbelastung unterzogen, jedoch wurden diese Prismen vor der Belastung zwei Wochen bei 20 °C und 65 % rel. F. gelagert, wobei sie austrocknen konnten.

Bild 6: Einfluss des Feuchtegehaltes des Betons auf die Abnahme des dynamischen E-Moduls

Im Vergleich zu den Ergebnissen der ersten Prüfserie zeigte sich bei diesen trocken vorgelagerten Betonen der zweiten Prüfserie ein deutlicher Einfluss der Lastzyklen und der Belastungsintensität auf den Degradationsfortschritt. Bei sämtlichen Serien stellte sich eine sukzessive Abnahme des rel. dynamischen E-Moduls um ca. 10 % bis 15 % (nach 2.000.000 Lastzyklen) ein (Bild 6). Die Unterschiede zwischen den feuchtgelagerten Proben und denen, die vorab teilweise austrocknen konnten, stellen jedoch nicht ein unterschiedliches Materialverhalten dar. Vielmehr ist davon auszugehen, dass die Degradation bei gleicher Beanspruchung in beiden Prüfserien annähernd gleich ausgeprägt war. Die festgestellten und im Bild 6 dokumentierten Unterschiede sind primär einem Messartefakt bei der Bestimmung der Ultraschalllaufzeiten zuzuschreiben.

Bei der Betrachtung des Einflusses der Betonzusammensetzung, vorrangig in Bezug auf die Granulometrie der Gesteinskörnung, zeigte sich in allen vergleichbaren Serien, das heißt bei jeweils gleicher maximaler Spannungsamplitude, bei dem Unterbeton U mit einem Größtkorn von 22 mm jeweils ein geringfügig stärkerer Schädigungsfortschritt als bei dem Oberbeton O mit einem Größtkorn von nur 8 mm (Bild 7). Dies kann in erster Linie darauf zurückgeführt werden, dass sich erste Mikrorisse primär in der schwächeren Kontaktzone zwischen der Mörtelmatrix und den groben Gesteinskörnern ausbilden und dieser Effekt bei größeren Gesteinskörnern verstärkt auftritt. Darüber hinaus können sich auch der gegenüber dem Oberbeton O reduzierte Zementgehalt sowie der geringfügig erhöhte w/z-Wert beim Unterbeton auf die Degradation auswirken.

Der nur orientierend betrachtete Unterbeton Z, bei dem der Basaltsplitt durch Quarzkies ersetzt worden war, wies gegenüber dem Unterbeton U höhere Steifigkeitsabnahmen auf. Dies war im Wesentlichen auf die schwächer ausgeprägte Kontaktzone zwischen Zementstein und quarzitischer Gesteinskörnung sowie die geringere Kornsteifigkeit zurückzuführen.

Bild 7: Einfluss der Betonzusammensetzung auf die Abnahme des dynamischen E-Moduls

Im Bild 8 sind für den Unterbeton U die Steifigkeitsabnahmen infolge Biegeschwellbelastung bei unterschiedlich hohen Oberspannungen (40 %, 50 % und 70 % der Biegezugfestigkeit) mit bis zu 10 Mio. Lastzyklen dargestellt. Wie bereits aus Bild 6 erkennbar, zeigte sich auch hier, dass der Schädigungsfortschritt innerhalb der ersten 100.000 Lastzyklen durch die Höhe der Oberspannung nur geringfügig beeinflusst wird. Ab Lastzyklen von über 100.000 wirkte sich die Belastungsintensität dann zunehmend immer stärker auf die Abnahme der relativen dynamischen E-Moduln aus, nach 2 Mio. Lastzyklen lagen deutlich unterschiedliche RestSteifigkeiten vor.

Im Allgemeinen bestätigten die hier an vorgetrockneten Probekörpern ermittelten Degradationen die Ergebnisse früherer Laboruntersuchungen, wonach innerhalb der ersten 2 Mio. Lastzyklen mit einem Abfall des relativen dynamischen E-Moduls von ca. 10 % bis 15 % zu rechnen ist (Breitenbücher, Schießl et al. 2012).

Bild 8: Einfluss der Belastungsintensität auf die Abnahme des dynamischen E-Moduls

Diese im Labor ermittelten Verminderungen in den rel. dynamischen E-Moduln konnten in gleicher Größenordnung auch durch in situ Messungen belegt werden (Breitenbücher, Schießl et al. 2012) (Sievering 2012). Auf insgesamt fünf Streckenabschnitten einer Bundesautobahn wurden die Ultraschalllaufzeiten jeweils im 1. Fahrstreifen (Lastspur), im 2. Fahrstreifen (Überholspur) sowie im Standstreifen ermittelt (Bild 9). Die Erfassung erfolgte dabei an insgesamt 18 Messstrecken (Messstelle 1 bis 9, jeweils in Längs- und Querrichtung, vgl. Bild 9). Um auch hier relative dynamische E-Moduln generieren zu können, wurden die ermittelten Ultraschalllaufzeiten in den fünf Streckenabschnitten jeweils auf die Werte des als ungeschädigt angenommenen Standstreifens bezogen. Dabei zeigten sich im 1. Fahrstreifen Abnahmen im relativen dynamischen E-Modul von ca. 11 %; im 2. Fahrstreifen war die Degradation erwartungsgemäß etwas schwächer ausgeprägt.

Bild 9: In situ festgestellte Abnahmen des relativen dynamischen E-Moduls, bezogen auf die im Standstreifen ermittelten Messwerte (Breitenbücher, Schießl et al. 2012) (Sievering 2012)

3.2 Rest-Biegezugfestigkeit

Nach Beendigung der Biegeschwellversuche wurden im Vier-Punkt-Biegeversuch an nahezu allen unter feuchten Bedingungen zyklisch vorbelasteten Prismen geringere Biegezugfestigkeiten ermittelt als bei den nicht vorbeanspruchten Proben (Bild 10).

Der Abfall in der Biegezugfestigkeit betrug dabei im Mittel ca. 8 %, bei einigen Serien wurde auch eine um ca. 10 % bis 15 % niedrigere Biegezugfestigkeit als bei den zugehörigen Referenzproben festgestellt. Im Gegensatz zu den Ergebnissen aus den Ultraschalllaufzeitmessungen war hier jedoch kein so eindeutiger Zusammenhang zwischen ertragener Lastwechselzahl und Schädigungsfortschritt zu erkennen. Die Rest-Biegezugfestigkeiten der trocken vorbelasteten Prismen wiesen zwar mitunter Werte größer 100 % (bezogen auf die Referenz-Biegezugfestigkeit) auf, jedoch nahmen auch diese mit steigender Lastwechselzahl deutlich ab.

Bild 10: Rest-Biegezugfestigkeiten der Betone nach Biegeschwellbelastung

3.3 Statischer E-Modul

Analog zu der Biegezugfestigkeit konnten auch für die statischen E-Moduln, ermittelt in Druckversuchen in Anlehnung an DIN 1048-5, Abnahmen in Höhe von ca. 5 % bis 10 % gegenüber den unbelasteten Referenzproben festgestellt werden. Ein eindeutiger Zusammenhang zwischen ertragener Lastwechselzahl, Belastungsintensität und Abfall im statischen E-Modul konnte auch hier nicht dargestellt werden (Bild 11).

Bild 11: Relative statische E-Moduln der Betone nach Biegeschwellbelastung mit bis zu 10 Mio. Lastzyklen, ermittelt an Prismen (75 x 75 x 150 mm³) im Druckversuch in Anlehnung an DIN 1048-5

3.4 Mikrorissbildung

Die bereits beschriebenen Änderungen in den mechanischen Eigenschaften des Betons sind insbesondere auf eine Degradation infolge einer Mikrorissbildung unter zyklischer Belastung zurückzuführen. Die Ausbildung dieser Mikrorisse kann durch lichtmikroskopische Aufnahmen direkt überprüft werden. Dazu wurde aus verschiedenen zyklisch vorbelasteten Probekörpern jeweils eine Teilprobe aus der relevanten Biegezugzone herausgesägt, anschließend im Hochvakuum mit einem blau eingefärbten Epoxidharz getränkt und abschließend poliert.

Im Bild 12 sind entsprechende mikroskopische Aufnahmen eines unbelasteten Unterbetons U (links) sowie Oberbetons O (rechts) nach zyklischer Biegeschwellbelastung mit 2 Mio. Lastzyklen dargestellt.

Bild 12: Gefüge eines unbelasteten Unterbetons U (links) sowie eines Oberbetons O mit Mikrorissbildung infolge einer zyklischen Biegeschwellbelastung (o = 50 % der Biegezugfestigkeit, N = 2.000.000) (rechts)

Bedingt durch die Probenpräparation wies der unbelastete Unterbeton U auf der Prüffläche (50 x 50 mm²) insgesamt 26 Mikrorisse mit einer Rissöffnungsfläche von ca. 86.000 m² auf. Demgegenüber konnten in den übrigen Probekörpern nach Biegeschwellbelastung Rissöffnungsflächen von ca. 170.000 m² festgestellt werden. Die vorgefundenen Risse (mittlere Risslängen ca. 700 bis 900 m, mittlere Rissbreiten ca. 2 bis 5 m) traten vorrangig an den Grenzflächen der Gesteinskörnung auf und setzten sich im Zementstein fort. In der Regel endeten die Risse an den eingeführten Mikroluftporen (,,Knopflocheffekt"), wobei sie sich vereinzelt auch darüber hinaus fortsetzten (Bild 12 rechts).

4 Zusammenfassung

Zusammenfassend lässt sich aus den vorliegenden Untersuchungen festhalten, dass die Steifigkeit von Straßenbetonen unter zyklischen/dynamischen Belastungen, wie sie unter dem kontinuierlich über Betonfahrbahnen rollenden Verkehr auftreten, nennenswert beeinflusst wird. Bereits nach wenigen Millionen Lastwechseln ist mit Steifigkeitsabnahmen von ca. 10 % bis 15 % zu rechnen, welche sich über die Messung von Ultraschalllaufzeiten erfassen lassen. Diese Degradation wird maßgeblich durch die sukzessive Entwicklung von Mikrorissen im Betongefüge unter dieser Beanspruchung bestimmt. Daneben bewirkt die zunehmende Degradation tendenziell auch eine Verminderung der Betonfestigkeit, wenngleich hier aufgrund größerer Prüfstreuungen kein so eindeutiger Zusammenhang zwischen Lastzyklen, Spannungsintensität und Festigkeitseinbuße nachgewiesen werden konnte. Infolge der Ausbildung von Mikrorissen geht mit der zunehmenden Degradation auch eine Verringerung der Dichtigkeit gegenüber Wasser und Taumittellösungen einher.

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