| FGSV-Nr. | FGSV 001/21 |
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| Ort | Karlsruhe |
| Datum | 11.10.2006 |
| Titel | Maßnahmen zur Sicherstellung dauerhafter Betondecken |
| Autoren | Univ.-Prof. Dr.-Ing. Rolf Breitenbücher |
| Kategorien | Kongress |
| Einleitung | Von investitionsintensiven Infrastrukturprojekten wird eine lange Nutzungs-/Gebrauchstauglichkeitsdauer und damit auch eine hohe Dauerhaftigkeit erwartet. Dauerhafte Fahrbahndecken aus Beton müssen dazu zum einen so dimensioniert sein, dass sie den ständig wachsenden Verkehrslasten, insbesondere auch unter der dynamischen Beanspruchung, gerecht werden. Seitens der Beanspruchung aus der Umwelt sind vor allem ein hoher Frost-Taumittel-Widerstand und ein hoher Abriebwiderstand notwendig. Hierfür haben sich die gängigen Maßnahmen wie ein ausreichend hoher Anteil an künstlich eingeführten Luftporen und die Verwendung von Gesteinskörnungen mit hohem Frost-Tau-Widerstand bewährt. Von besonderer Bedeutung für die Dauerhaftigkeit ist auch die Vermeidung von kritischen Rissen. Risse sind meist nicht auf eine einzige Ursache zurückzuführen, sondern resultieren in der Regel aus der Überlagerung verschiedener Ursachen. Neben Lastspannungen spielen hier Zwangs- und Eigenspannungen eine maßgebende Rolle. Durch entsprechende Auswahl von Betonausgangsstoffen werden hierbei sowohl die Hydratationswärme als auch das Schwinden in Grenzen gehalten. In letzter Zeit werden Risse häufig auch mit AlkaliKieselsäure-Reaktionen in Verbindung gebracht. Auch hier können Schäden durch die vorgenommene Begrenzung des Alkaligehaltes im Zement und durch eine Auswahl ungefährdeter Gesteinskörnungen vermieden werden. |
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| Volltext |
Für den Bau von Infrastrukturprojekten, wie z. B. Fernstraßen, werden in der Regel erhebliche Investitionen getätigt. Daher wird von diesen – im Gegensatz zu vielen anderen Gebrauchsgegenständen des Alltags – eine erheblich längere Lebens- und Nutzungsdauer erwartet. Dies wiederum ist nur erreichbar, wenn die jeweiligen Konstruktionsteile entsprechend dauerhaft konzipiert und ausgeführt sind. Fahrbahndecken aus Beton haben sich diesbezüglich bereits über mehr als 100 Jahre bewährt.
Unter Dauerhaftigkeit versteht man dabei ein bedingungsgemäßes Verhalten des Bauteils/Bauwerkes über die gesamte angestrebte Nutzungsdauer hinweg. Bedingungsgemäß heißt hier, dass die Randbedingungen, die der Konzeption zugrunde gelegt wurden, sich über diesen Zeitraum hin nicht wesentlich verändern. Bei Fahrbahndecken betrifft dies z. B. die Verkehrsbelastung (Achslasten, Intensität, Geschwindigkeit etc.) oder auch die Art des Winterdienstes. Für die angestrebte Dauerhaftigkeit ist darüber hinaus eine sachgerechte, kontinuierliche Wartung der Bauwerke unabdingbar.
2 Dauerhaftigkeit gegenüber Einwirkungen aus der Nutzung und Umwelt auf das Betongefüge2.1 Frost-TaumittelFahrbahndecken aus Beton werden in unserer Region im Winter nachhaltig durch Frost- und Taumitteleinwirkungen beansprucht. Durch die Expansion beim Gefrieren von Wasser zu Eis um 9 Vol.-% baut sich bei wassergesättigtem Beton im Gefügeinnern ein Sprengdruck auf, der zu entsprechenden Frostabwitterungen führen kann (Bild 1). Dieser Angriff wird durch Taumittel noch verstärkt. Für das Auftauen des Eises wird der Betonoberfläche die notwendige Schmelzwärme entzogen, wodurch diese quasi einen „Temperaturschock“ erfährt. Um solche Frostschädigungen dauerhaft zu vermeiden, hat sich seit langem bewährt, bereits in den Frischbeton künstliche Luftporen einzuführen [1, 2]. Dadurch entsteht zum einen ein entsprechender Entspannungsraum für den sich bildenden Eisdruck (Bild 2). Zum anderen wird durch diese kugelförmigen Luftporen das Kapillarporensystem unterbrochen, wodurch die Feuchteaufnahme entsprechend reduziert werden kann [3]. Gleichzeitig sind bei der Herstellung dieses Luftporenbetons nach ZTV Beton-StB ein Wasserzementwert von höchstens 0,45 und ein Mindestzementgehalt von 350 kg/m³ einzuhalten, ebenso müssen die verwendeten Gesteinskörnungen einen erhöhten Frostwiderstand aufweisen. Bei Einhaltung dieser seit langem gängigen Regeln konnte hinsichtlich der Frost-Taumittel-Einwirkung stets ein ausreichender Widerstand erreicht und damit die Dauerhaftigkeit sichergestellt werden. Bild 1: Fahrbahndecke aus Beton mit Frost-Tausalz-Schaden Bild 2: Beton mit künstlich eingeführten Luftporen
2.2 Griffigkeit und AbriebwiderstandFür die sachgerechte Nutzung einer Betonfahrbahn ist die dauerhafte Kraftübertragung zwischen Fahrzeug und Fahrbahn unabdingbar. Dafür muss die Betonoberfläche dauerhaft eine ausreichende Griffigkeit aufweisen. Im Laufe der Zeit verändert sich die Oberflächenstruktur infolge der kombinierten Beanspruchung aus Verkehr (Abrieb) und Umwelt (Regen und Frost-Taumittel-Beanspruchung) [4]. Die Griffigkeit von Fahrbahndecken aus Beton wird bei der klassischen Oberflächengestaltung (Besenstrich, Jutetuch, Kunstrasen o. Ä.) in der Anfangsphase, die sich ohne weiteres über 10 bis 15 Jahre erstrecken kann, maßgeblich von den Eigenschaften des Mörtels und seiner Strukturierung bestimmt (Bild 3) [5]. Erst danach gewinnt die Polierresistenz der groben Gesteinskörnung – wie bei der Waschbeton-Bauweise – eine deutliche Relevanz [6]. Bild 3: Struktur der oberflächennahen Randzone in einer Betonfahrbahn [5] Allerdings handelt es sich bei der Griffigkeit auch um eine Optimierungsaufgabe zwischen der dauerhaften Nutzung der Mikrostruktur auf hohem Niveau, der Geräuscharmut und möglichst hohem Kraftschluss auch bei nasser Fahrbahn. Bei Letzterer muss insbesondere auch eine ausreichende Entwässerung sichergestellt sein. Gleichzeitig soll der Reifenverschleiß und der Kraftstoffverbrauch minimiert werden. Die Oberflächenstruktur wird in der Regel in den noch frischen Oberflächenmörtel eingeprägt. Daher ist dieser auch für den Fortbestand dieser Struktur und eine dauerhafte Griffigkeit von essenzieller Bedeutung. Der Oberflächenmörtel muss deshalb prägbar und bis zum Erstarren verformungsstabil, sowie auch nach dem Erhärten ausreichend fest sein [7]. Die Verformungsstabilität des frischen und die Festigkeit des erhärteten Oberflächenmörtels werden maßgeblich vom Mörtelanteil im Beton und dessen Zusammensetzung bzw. rheologischen Eigenschaften bestimmt. Dazu darf der Beton und auch der Mörtel vor allem nicht sedimentieren, damit sich die Mörtelschicht nicht zu dick ausbildet. Ebenso darf der Zementleim nicht zum Bluten neigen, weil der Mörtel an der Oberfläche ansonsten verwässert und gerade in der maßgeblich beanspruchten Zone nur verminderte Eigenschaften aufweist [7]. Für die Beständigkeit der Griffigkeit ist die Art des Sandes von maßgebender Bedeutung [4]. Bei den in letzter Zeit vermehrt hergestellten Oberflächen in Waschbeton wird die Griffigkeit mehr oder weniger ausschließlich von der Art der groben Gesteinskörner bestimmt. In den meisten Fällen wird, wie bereits seit längerem im Ausland auch, im Oberbeton ein Größtkorn von 8 mm eingesetzt. Um die Griffigkeit dauerhaft sicherstellen zu können, dürfen diese groben Gesteinskörner nur wenig polierbar sein, das heißt es ist ein ausreichend hoher Polierwiderstand (PSV) einzuhalten.
3 Rissbildung und Dauerhaftigkeit
3.1 Beeinträchtigung der Dauerhaftigkeit durch RisseWenn Fahrbahndecken nach einigen Jahrzehnten erneuert werden müssen, ist dies oftmals darauf zurückzuführen, dass eine sachgerechte Nutzung durch eine fortgeschrittene Rissbildung nicht mehr sichergestellt ist. Somit kann die Dauerhaftigkeit von Fahrbahndecken aus Beton auch durch Risse beeinträchtigt werden. Um einer Rissbildung allgemein entgegenzuwirken, wird von Straßenbetonen generell eine vergleichsweise hohe Biegezugfestigkeit von mindestens 5,5 N/mm² gefordert. Dennoch kann eine Rissbildung nicht grundsätzlich ausgeschlossen werden. Dabei bedeutet aber nicht jeder Riss schon von Haus aus eine entsprechende Beeinträchtigung der Nutzung oder gar eine Gefährdung. Im Zusammenhang mit den heute vielfach diskutierten Rissen in Fahrbahndecken aus Beton gilt es vielmehr zu bedenken, dass von den über 3 600 km Autobahnen in Beton deutlich unter 1 % von Rissen betroffen sind, die einer weiteren Behandlung oder Instandsetzung bedürfen. Bei der Beurteilung der Risse ist auch zwischen verschiedenen Ausbildungen zu differenzieren. Insbesondere ist zwischen krakeleeartigen feinen Netzrissen (Bild 4), die meist auch nur wenig tief sind, und klar erkennbaren Längsrissen (Bild 5) zu unterscheiden. Solange Risse ausreichend schmal bleiben, selbst wenn sie netzartig fein verteilt sind, wird die Nutzung der Fahrbahndecke im Prinzip nicht beeinträchtigt. Eine Gefährdung entsteht erst dann, wenn sich Risse – insbesondere im Fugenbereich – verzweigen, die Rissflanken sich durch den überrollenden Verkehr immer mehr aufweiten, durch immer größer ausbrechende Partikel der nachfolgende Verkehr gefährdet wird und sich dabei der Gesamtzustand der Fahrbahn drastisch verschlechtert. Daher gilt es, solche extensive Rissbildungen von Haus aus zu vermeiden. Um einschlägige konstruktive, betontechnologische und ausführungstechnische Gegenmaßnahmen ergreifen zu können, müssen die jeweiligen Rissursachen bekannt sein. Hierbei ist zu bedenken, dass Risse in Fahrbahndecken aus Beton nur in den seltensten Fällen eindeutig einer einzigen Ursache zuzuordnen sind, in den meisten Fällen überlagern sich Spannungsanteile verschiedener Herkunft [8]. Bild 4: Krakeleeartige Netzrisse in der Betonoberfläche Bild 5: Längsrisse in einer Fahrbahndecke aus Beton
3.2 Zwangs- und EigenspannungenBedingt durch die nahezu endlose Ausdehnung werden Verformungen in Fahrbahndecken in Längsrichtung praktisch vollständig verhindert. Im Fall von lastunabhängigen Verformungen, z. B. infolge Temperaturänderungen, Schwinden oder Quellen, bauen sich dementsprechend zentrische Zwangspannungen auf. In Querrichtung sind bei Fahrbahnbreiten zwischen ca. 12,0 und 15,0 m Verformungen zwar in gewissem Umfang möglich, dennoch werden diese z. B. durch die Reibung mit dem Untergrund und durch die vorhandenen Anker noch soweit behindert, dass auch in Querrichtung nicht vernachlässigbare zentrische Zwangspannungen entstehen können. Stellt sich über die Plattendicke bei einseitiger Erwärmung oder Befeuchtung von oben ein positiver Verformungsgradient ein, so möchte sich die Platte in der Mitte nach oben aufwölben. Umgekehrt würden sich bei negativem Verformungsgradienten (einseitige Abkühlung oder Austrocknung von oben) die freien Ränder nach oben aufschüsseln. Sowohl eine Aufwölbung als auch eine Aufschüsselung werden durch die Verdübelung/Verankerung sowie das Eigengewicht der Platte weitgehend behindert. Hinzu kommt, dass die Platten durch den überrollenden Verkehr heruntergedrückt werden. Die Folge daraus sind entsprechende Biegezwangspannungen mit Zugbeanspruchung auf der „kalten“ bzw. „trockenen“ Seite. Je nach Witterungsbedingungen (einseitige Erwärmung/Abkühlung bzw. Befeuchtung/Austrocknung) stellt sich ein konkav oder konvex gekrümmter Verformungs- und damit Spannungsgradient ein (Bild 6). Diese Spannungsverteilung kann in drei unterschiedliche Anteile aufgesplittet werden [9].
Ein über die Plattendicke konstanter Anteil führt zu zentrischen Zwangsspannungen. Daraus können Risse resultieren, die mit annähernd gleicher Breite über die Plattendicke durchlaufen. Infolge des linearen Temperaturgradienten möchte sich die Platte verwölben. Die daraus resultierenden Biegezwangspannungen führen zu Zugbeanspruchungen an der „kälteren“/„trockeneren“ Seite. Überschreiten diese Biegezugspannungen die Biegezugfestigkeit, bilden sich keilförmige Biegerisse, die in den unbewehrten Platten zwar ebenfalls über die gesamte Plattendicke, jedoch mit abnehmender Rissbreite verlaufen.
Bild 6: Spannungen und Risse in Betonplatten infolge eines negativen Verformungsgradienten bei Temperatur- und/oder Feuchteänderungen [9] Der nicht-lineare, bei starker Abkühlung/Austrocknung von oben konvex verlaufende Verformungsgradient führt an der Oberseite zu weiteren Zugspannungen (Eigenspannungen). Daraus können leicht krakeleeartige feine Oberflächenrisse entstehen, die meist auch nur wenige Millimeter tief sind.
3.3 Thermisch bedingte SpannungenIn der 26 bzw. 28 cm dicken Fahrbahndecke kann sich der Beton bereits während der Hydratation in den ersten Stunden um ca. 15 bis 25 K erwärmen. Ungünstig wirkt sich dabei aus, wenn im Hochsommer bei schon hoher Frischbetontemperatur der gerade eingebaute Beton noch durch intensive Sonneneinstrahlung zusätzlich aufgeheizt wird. Während der anschließenden Abkühlung bauen sich Zugspannungen auf, die die noch mäßige Zugfestigkeit des Betons schon erreichen bzw. überschreiten können [8]. Um eine frühzeitige unkontrollierte Rissbildung zu vermeiden, ist das frühzeitige Schneiden der Fugen unabdingbar. Durch diese planmäßige und gezielt geführte Schwächung des Plattenquerschnitts in Längs- und Querrichtung erfolgt eine nachhaltige Entspannung hinsichtlich gleichmäßig über die Plattendicke verlaufender Risse infolge zentrischer Längsspannungen. Durch die eingebauten Dübel und Anker können jedoch weiterhin Biegezwangspannungen herbeigeführt werden, ebenso sind durch die geschnittenen Fugen Eigenspannungen nicht auszuschließen. Für eine Minimierung der Zwangsspannungen infolge Hydratationswärme wirkt sich vor allem eine niedrige Frischbetontemperatur vorteilhaft aus. Daher ist für Fahrbahndecken aus Beton in den ZTV Beton-StB, wie auch für den allgemeinen Betonbau in DIN 1045-2, die Frischbetontemperatur auf maximal 30 °C begrenzt. Um gleichzeitig auch bei Zementgehalten von mindestens 350 kg/m³, die für die Dauerhaftigkeit bei Frost-Taumittel-Einwirkung notwendig sind (vgl. Abschnitt 2.1), nur vergleichsweise wenig Hydratationswärme freizusetzen, ist in den ZTV Beton-StB die Mahlfeinheit des Zements ebenso wie der Alkaligehalt nach oben begrenzt. Je höher diese beiden Zementkennwerte sind, umso rascher läuft die Hydratation ab und umso höher ist der Temperaturanstieg im Bauteil. Darüber hinaus ist es von Vorteil, wenn der Beton eine niedrige Temperaturdehnzahl aT aufweist. Diese wird vor allem über die Mineralogie der Gesteinskörnung definiert. Während quarzitische Gesteine zu Temperaturdehnzahlen im Bereich von ca. 12 . 13 · 10-6 K-1 führen, sind diese bei Verwendung von z. B. Basalt, Gabbro u. ä. nur etwa halb so hoch [10, 11]. Je höher die Temperaturdehnzahl des Betons ist, umso höher sind bei entsprechender Verformungsbehinderung dann auch die daraus resultierenden Zwangs- und Eigenspannungen. Dementsprechend ist eine niedrige Temperaturdehnzahl nicht nur im jungen Alter günstig, sondern auch zur Vermeidung von Rissen bei späteren, jahreszeitlich- und witterungsbedingten Temperaturänderungen vorteilhaft. Eine besondere Rolle spielt die Temperaturdehnzahl des Betons auch, wenn eine Fahrbahndecke zweischichtig mit unterschiedlichen Betonen gefertigt wird. Weisen Ober- und Unterbeton sehr unterschiedliche Temperaturdehnzahlen auf, möchte sich die Platte auch bei gleichmäßiger Temperaturänderung wie bei einem Bimetall verwölben (Bild 7) [8, 12]. Besonders relevant kann dies bei Verwendung von rezyklierter Gesteinskörnung im Unterbeton (mit entsprechend hohem aT – Wert) und z.B. Basaltsplitt im Oberbeton werden. Nach Untersuchungen von Sodeikat [12] können sich bei einer Differenz zwischen den Temperaturdehnzahlen des Ober- und Unterbetons von mehr als 2,5 . 3,0 · 10-6 K-1 unter üblichen Verhältnissen in einer zweischichtigen Betonfahrbahnplatte bereits Spannungen in der Größenordnung der Betonzugfestigkeit aufbauen. Durch eine entsprechende Auswahl bzw. Abstimmung der Gesteinskörnungen für den Ober- bzw. Unterbeton können diese Spannungen auf einem niedrigen Niveau gehalten werden.
Bild 7: Verwölbung einer Betonfahrbahnplatte Links: bei gleichem aT von Ober- und Unterbeton: infolge Temperaturgradient Rechts: bei unterschiedlichem aT von Ober- und Unterbeton: auch infolge gleichmäßiger Temperaturänderung („Bimetalleffekt“)
3.4 Hygrisch bedingte SpannungenIn gleicher Weise wie bei thermischen Verformungen ergeben sich auch bei der Behinderung von hygrischen Eigenverformungen des Betons entsprechende Zwangs- und Eigenspannungen. In der Regel finden bei Betonfahrbahnplatten Feuchteänderungen nur im obersten cm-Bereich statt [13]. Bei dieser einseitigen Austrocknung entsteht eine mit den Feuchtedehnungen korrelierende Spannungsverteilung (Bild 8). Diese lässt sich im Wesentlichen wie im Bild 6, dargelegt in Biegezwang- und Eigenspannungen aufteilen.
Bild 8: Spannungsverteilung in einer Betonfahrbahnplatte infolge einseitiger Austrocknung (Schwinden) an der Oberfläche Bild 9: Schilfbewuchs bis direkt an die Fahrbahn heran als Anzeichen für einen hohen Grundwasserstand Extrem werden diese Biegezwangspannungen, wenn gleichzeitig zur Austrocknung an der Oberfläche eine Befeuchtung von unten stattfindet. Dann bauen sich – entgegen der Darstellung im Bild 8 – infolge Quellen an der Unterseite zusätzlich Druckspannungen auf, die den Verformungs- und damit den Spannungsgradienten signifikant vergrößern. Eine solche Befeuchtung von unten ist beispielsweise dann zu befürchten, wenn neben der Fahrbahn Anzeichen eines hohen Grundwasserstands erkennbar sind (Bild 9). Hygrisch bedingte Zwangsspannungen können somit vor allem durch eine ausreichende Entwässerung des Untergrundes bzw. des Unterbaues der Fahrbahn sowie durch entsprechend durchlässige Tragschichten gering gehalten werden. Darüber hinaus können die Schwind- und Quellverformungen des Betons selbst durch einschlägige betontechnologische Maßnahmen minimiert werden. Nach Fleischer [13] führen Zemente mit hoher innerer Oberfläche und hohem Alkaligehalt zu vergleichsweise großen hygrischen Verformungen. Aus diesem Grund ist in den ZTV Beton-StB zur Vermeidung hygrisch bedingter Risse und damit zur Verbesserung der Dauerhaftigkeit die Mahlfeinheit des Zements auf maximal 3 500 g/m² und der Alkaligehalt des Zements, ausgedrückt als Na2O-Äquivalent auf maximal 1,0 M.-% begrenzt. Neben der allmählichen Austrocknung und/oder Befeuchtung können sich Risse aber auch bereits infolge einer frühzeitigen Austrocknung aus dem gerade eingebauten, noch frischen Beton bilden. In dieser Phase hat noch keine Hydratation stattgefunden, diese Austrocknung ist mit der aus einem bindigen Boden vergleichbar. Die Folge sind sehr engmaschige feine Krakeleerisse. Diese können als Schwachstellen eine spätere Rissbildung begünstigen. Um solche Frühschwindrisse zu vermeiden, gilt es den frisch eingebauten Beton gegen eine rasche Austrocknung sorgfältig nachzubehandeln. Hierzu werden in der Regel flüssige Nachbehandlungsmittel aufgesprüht, die den Technischen Lieferbedingungen für diese Produkte (TL NBM-StB) entsprechend einen Sperrkoeffizienten von mindestens 85 % aufweisen müssen. Neuere Untersuchungen [14] haben dabei allerdings gezeigt, dass die beste Sperrwirkung erreicht wird, wenn das Nachbehandlungsmittel auf eine mattfeuchte Oberfläche aufgebracht wird. Dies kann – je nachdem ob sich an der Oberfläche mehr oder weniger viel Blutwasser angesammelt hat – unter Umständen auch erst 2 bis 4 Stunden nach der Oberflächenbearbeitung der Fall sein (Bild 10). Gleichzeitig stellt diese Nachbehandlung auch sicher, dass in der am stärksten beanspruchten Oberfläche die Hydratation uneingeschränkt ablaufen und sich ein dichtes und damit dauerhaftes Betongefüge einstellen kann. Bild 10: Einfluss des Auftragszeitpunkts von flüssigen Nachbehandlungsmitteln auf die Sperrwirkung gegen Wasserverluste [14]
3.5 Verkehrsbedingte SpannungenBei der Diskussion über die Rissbildung und damit auch auf die Dauerhaftigkeit von Fahrbahndecken aus Beton dürfen die Einwirkungen infolge der Nutzung, das heißt des Verkehrs, nicht außer Acht gelassen werden. In den vergangenen Jahrzehnten haben sich nicht nur die zulässigen Achslasten erhöht (Bild 11), vielmehr hat sich auch der Gesamtverkehr und dabei insbesondere der Lkw-Anteil drastisch erhöht. Während 1970 auf den Bundesfernstraßen ein Lkw-Aufkommen von 80 Mrd. Tonnen-Kilometer (tkm) zu bewältigen war, stieg dieses 1990 auf 200 Mrd. tkm und 2005 sogar auf 400 Mrd. tkm an. Dieser erhöhten statischen Beanspruchung kann nur mit einer entsprechend höheren Plattensteifigkeit und damit Plattendicke entgegengewirkt werden (Bild 11).
Mit der Erhöhung des Lkw-Aufkommens geht gleichzeitig auch eine erhöhte Geschwindigkeit dieser Fahrzeuge einher. Beides führt dazu, dass auch die dynamische und zyklische Beanspruchung zugenommen hat. Letztere können – wenn auch erst nach vielen Millionen Lastwechseln allmählich zu Degradationen im Gefüge und damit zu einer Ermüdung führen [15]. Auch diesem Effekt kann letztendlich über eine entsprechende Dimensionierung der Fahrbahnplatte begegnet werden. Bild 11: Veränderungen in den zulässigen Achslasten und Anpassung der Schichtdicken der Betonfahrbahnplatten
3.6 Treiben infolge Alkali-Kieselsäure-ReaktionenIn den letzten Jahren sind in verschiedenen Streckenabschnitten über ganz Deutschland verteilt Risse in Fahrbahndecken aus Beton aufgetreten, die mehrfach mit einer AlkaliKieselsäure-Reaktion (AKR) als Ursache in Verbindung gebracht wurden [16]. Dabei wäre es aber vorschnell, diese Reaktion als alleinige oder maßgebliche Rissursache festzuschreiben. Insbesondere ist bei den gegenwärtigen AKR-Diskussionen zu bedenken, dass bei Materialanalysen im Nachgang einzig eine solche AKR noch detektierbar ist. Andere Spannungsquellen wie thermische und hygrische Zwangspannungen bleiben demgegenüber ganz im Verborgenen. Wird bei Dünnschliffuntersuchungen ein Alkali-Kieselsäure-Gel im Betongefüge nachgewiesen (Bild 12), so sagt dies zunächst nur aus, dass eine Alkali-Kieselsäure-Reaktion stattgefunden haben muss, in welchem Ausmaß diese jedoch zu den rissauslösenden Spannungen beigetragen hat, bleibt hier offen. Bei einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion reagieren amorphe Kieselsäure (SiO2) und Alkalihydroxid (NaOH, KOH) – unter Anwesenheit von Feuchtigkeit – zu mehr oder weniger dickflüssigem Alkali-Kieselsäure-Gel (Bilder 12 und 13). Diese Volumenzunahme führt so zu einem inneren Quelldruck, der im Extremfall bis zu 20 N/mm² betragen kann [17]. In solchen Fällen wird der Beton bis weit über seine aufnehmbare Zugfestigkeit beansprucht, sodass sich leicht Risse einstellen können. Bild 12: Dünnschliffaufnahme von Beton mit Reaktionsprodukten einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion Bild 13: Reaktion amorpher Kieselsäure mit NaOH, KOH und Wasser (links) unter Volumenzunahme bei Bildung des Alkali-Kieselsäure-Gels (rechts) Risse infolge einer AKR sind meist fein verteilt und netzartig, sie sind aber nicht nur auf die sichtbare Randzone beschränkt, sondern können das gesamte Betongefüge durchziehen. Für eine schädigende Alkali-Kieselsäure-Reaktion im Beton müssen folgende drei Randbedingungen gleichzeitig gegeben sein:
Hinsichtlich des Alkalieintrages ist zusätzlich zwischen interner und externer Quelle zu unterscheiden. Bereits bei der Betonherstellung werden Alkalien über die Ausgangsstoffe (insbesondere durch den Zement) in nicht unerheblichen Mengen eingebracht. Darüber hinaus können Alkalien in Fahrbahndecken aber auch während der Nutzung über alkalihaltige Taumittel von außen eingetragen werden. Dem muss Straßenbeton auch dauerhaft standhalten. Um der Gefahr einer Rissbildung infolge einer solchen potenziellen Alkali-Kieselsäure-Reaktion in Fahrbahndecken aus Beton dauerhaft entgegenzuwirken, wurden mit dem Allgemeinen Rundschreiben Straßenbau (ARS) Nr. 15/2005 des BMVBW zusätzliche betontechnische Maßnahmen getroffen. Diese betreffen insbesondere weitere Einschränkungen hinsichtlich der für Straßenbeton einsetzbaren Gesteinskörnungen und Zemente. So dürfen Gesteinskörnungen, die in der DAfStb-Richtlinie „Vorbeugende Maßnahmen gegen schädigende Alkalireaktion im Beton (Alkali-Richtlinie)“ als alkalireaktiv eingestuft sind – im wesentlichen Opalsandstein und Flint – beim Bau von Fahrbahndecken aus Beton generell nicht mehr verwendet werden. Weitere Gesteine, bei denen eine Alkalireakivität nicht grundsätzlich ausgeschlossen werden kann, dürfen erst dann im Straßenbeton eingesetzt werden, wenn deren Eignung für diesen Zweck durch eine hierfür anerkannte Stelle in einem Gutachten nachgewiesen ist. Dazu zählen Grauwackesplitt, gebrochener Quarzporphyr, Kies-Edelsplitt des Oberrheins, rezyklierte Gesteinskörnungen und alle nach Deutschland eingeführte Gesteinskörnungen. Der Nachweis der Eignung dieser Gesteinskörnungen erfordert unter Umständen längere Zeiträume. Daher ist in der Regel ein mehrstufiges Vorgehen notwendig [16]. Darüber hinaus wird auch der Alkaligehalt des Zements über die bisherigen Regelungen hinaus begrenzt (Tabelle 1). So wurde beispielsweise das zulässige Na2O-Äquivalent für Portlandzemente (CEM I-Zement) von 1,0 M.-% auf 0,8 M.-% reduziert. Diese Grenzen gelten grundsätzlich und unabhängig von der verwendeten Gesteinskörnung für alle Betone für Fahrbahndecken. Mit diesen weiteren betontechnologischen Beschränkungen sind Maßnahmen getroffen worden, um nach heutigem Wissensstand, zukünftig Alkali-Kieselsäure-Schäden in Fahrbahndecken aus Beton zu vermeiden. Tabelle 1: Zulässige Alkaligehalte des Zementes für Beton von Fahrbahndecken
4 Wartung
Die Dauerhaftigkeit von Fahrbahndecken aus Beton wird neben den dargelegten Maßnahmen, die bei der Planung und Herstellung von diesen zu ergreifen sind, sehr maßgeblich auch von einer kontinuierlichen und sachgerechten Wartung während der gesamten Nutzungszeit bestimmt. Werden kleinere Schäden frühzeitig instandgesetzt, kann die Nutzungszeit bis zu einer Grunderneuerung signifikant verlängert werden. Aber auch bei diesen Instandsetzungsmaßnahmen bedarf es einer sorgfältigen Planung, insbesondere hinsichtlich der Art der einzusetzenden Baustoffe. Müssen beispielsweise Ausbrüche im Fugenbereich ausgebessert werden, erfolgt dies aus verständlichen Gründen (nur kurzzeitige Sperrung) oftmals mit Asphalt (Bild 14). Bild 14: Lokale Ausbesserung in einer Fahrbahndeck aus Beton mit Asphalt als potenzielle Schwachstelle für spätere Schäden („blow-ups“) Damit wird allerdings auf einen kleinen Teilbereich ein Werkstoff mit deutlich niedrigerem Elastizitätsmodul als im umgebenden Betonbereich eingebaut. Erwärmt sich in der nächsten warmen Sommerperiode die Fahrbahndecke aus Beton sehr intensiv, bauen sich in Längsrichtung aufgrund der vorhandenen Verformungsbehinderung Druckspannungen auf. Im Bereich dieser Ausbesserung entzieht sich diese ebenfalls erwärmte Asphaltplombe weitgehendst der Abtragung dieser Längsspannungen. Die Folge ist eine Umlagerung auf eine exzentrische Kraftkonzentration im restlichen Betonquerschnitt. Dadurch kommt es dann bei Überschreiten der kritischen Knicklast mehr oder weniger gezielt in diesem Bereich zum Ausknicken der Fahrbahnplatte, dem berüchtigten „blow-up“. Damit ist dann auch das endgültige Versagen des betroffenen Deckenfeldes eingeleitet. Um eine solche Begünstigung von „blow-ups“ zu verhindern, sollten in Fahrbahndecken aus Beton auch die Instandsetzungen mit Beton vorgenommen werden. Selbst wenn aus Zeitgründen zunächst eine erste rasche Behebung mit Asphalt erfolgt, sollten diese Stellen baldmöglichst mit Beton erneuert werden.
5 Zusammenfassung
Fahrbahndecken aus Beton haben sich bereits seit über 100 Jahren bewährt. Veränderte und erweiterte Randbedingungen aus der Errichtung und der Nutzung erfordern aber eine kontinuierliche Anpassung seitens der Konstruktion und Ausführung, um auch unter diesenVerhältnissen eine ausreichende Dauerhaftigkeit sicherstellen zu können. Dabei machen oftmals auch einander entgegenlaufende Anforderungen an ein und dieselbe Komponente eine Optimierung unumgänglich.
Mit den heute in den ZTV Beton-StB und ergänzenden Allgemeinen Rundschreiben festgeschriebenen Regelungen können dauerhafte Fahrbahndecken aus Beton hergestellt werden. Dabei gilt es zu bedenken, dass Straßenbeton zu den am stärksten beanspruchten Betonen zählt und daher auch vergleichsweise hohe Anforderungen an die Ausgangsstoffe und die Betonzusammensetzung zu stellen sind. In erster Linie zählen dazu:
Ebenso ist für eine hohe Dauerhaftigkeit ein sachgerechter Betoneinbau einschließlich einer sorgfältigen Nachbehandlung unabdingbar. Neben diesen Maßnahmen, die beim Bau von Fahrbahndecken aus Beton zu beachten sind, hängt die Dauerhaftigkeit einer solchen Fahrbahn ganz entscheidend auch von einer kontinuierlichen und sorgfältigen Wartung ab.
Literaturverzeichnis
(FGSV B 27), FGSV, Köln
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