RUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM Fakultät für Bauingenieurwesen Lehrstuhl und Institut für Stahlbeton- und Spannbetonbau Univ.-Prof. Dr.-Ing. F. Stangenberg

Baustoffkreislauf im Massivbau

Konsequenzen aus den Materialeigenschaften von Recycling-Betonen für die Bemessung zum Zwecke deren vergleichbarer Einstufung

Zwischenbericht 06/98

Prof. Dr.-Ing. F. Stangenberg, Dr.-Ing. B. Schnütgen, Dipl.-Ing. M. Meißner

1. Einleitung

In den technischen Regelwerken, z.B. DIN 1045, Eurocode 2, werden Betone auf der Grundlage ihrer Druckfestigkeit in ein System von Eigenschaften eingeordnet. Bei Betonen aus Recyclingmaterial werden diese Zuordnungen in Abhängigkeit von den Eigenschaften des recycelten Abbruchgutes, vom Zerkleinerungsvorgang und nachfolgender Behandlung des Rezyclats (z.B. Siebvorgang, Sortierung nach Rohdichte) verändert. Eine vergleichbare Einstufung des Betons ist nur dann möglich, wenn neben der Druckfestigkeit auch die daraus abgeleiteten Eigenschaften und deren statistische Verteilung den Grundlagen des technischen Regelwerks entsprechen. Insbesondere die Beurteilung der vorhandenen Systemsicherheit einer Stahlbetonkonstruktion muß zu vergleichbaren Werten führen. Diese Systemsicherheit ist, neben der Abhängigkeit von Druck-, Zug-, Scher-, und Verbundfestigkeit, entscheidend abhängig vom Rotationsvermögen. Da die Festigkeitseigenschaften und ihre Verteilung bereits im Teilprojekt F/05 untersucht wurden, werden im vorliegenden Vorhaben F/04 Ergebnisse der hier durchgeführten Ergänzungsuntersuchungen und Untersuchungen zum Verformungsverhalten vorgestellt.

2. Vorgehensweise

Im vorliegenden Teilprojekt werden die Zusammenhänge zwischen der Druckfestigkeit, und den daraus abgeleiteten Eigenschaften (Elastizitätsmodul, Grenzdehnungen, Rotationsvermögen und Dauerstandverhalten) und den diesen Eigenschaften zugeordneten Bemessungsgrößen (Momenten-Krümmungs-Beziehungen, Grenzen für Schnittkraftumlagerungen) untersucht. Diese Untersuchungen erfolgen zunächst an normengemäßen Prüfkörpern der Betontechnik sowie an Prismen. Die daraus gewonnenen Ergebnisse werden anschließend an Bauteilen überprüft.

3. Versuchsprogramm

3.1 Materialuntersuchungen

Die durchgeführten Materialuntersuchungen sollten eine Definition der Betonbestandteile im Sinne einer Reproduzierbarkeit der Ergebnisse ermöglichen. Sie wurden gemeinsam mit den entsprechenden Untersuchungen des Teilprojekts F/05 durchgeführt. Untersucht wurden folgende als Zuschlag in den Korngrößen 4/8 und 8/16 verwendete Materialien: Rheinkies, Natursteinsplitt (Grauwacke), Altbetonsplitt aus Probewürfeln mit dokumentierten Festigkeitswerten, drei Altbetonsplitte aus definierten Mischungen mit bekannten Druckfestigkeiten, Mauersteinsplitte aus fabrikneuen Hochloch-Ziegeln und Kalksandstein-Planelementen mit bekannten Materialeigenschaften. Bestimmt wurden die Kornrohdichte, die Wasseraufnahme und die Kornfestigkeit in Anlehnung an die Festlegungen des Arbeitskreises "Prüfverfahren der AG2".

3.2 Baustoffuntersuchungen

3.2.1 Versuchsumfang

Das durchgeführte Versuchsprogramm besteht aus drei Teilen. Im ersten Teil wurde in Abstimmung mit dem Teilprojekt F/05 an vier weiteren unterschiedlich zusammengesetzten Korngemischen das Verformungsverhalten an Zylindern untersucht. Im zweiten Teil wurde mittels zentrischer und exzentrischer Prismenversuche für ausgewählte Mischungen die Spannungsverteilung in der Biegedruckzone bestimmt. Im dritten Teil wurde in Tastversuchen an Zylindern, zum einen unter verschiedenen konstanten Belastungsgraden, zum anderen mit verschiedenen langsamen Verformungsgeschwindigkeiten das Dauerstandverhalten untersucht. Einen Überblick gibt Tabelle 1.

Zu jeder Mischung wurde an Würfeln mit 150 mm Kantenlänge nach 28 Tagen die Druck-und Spaltzugfestigkeit gemäß DIN 1048 ermittelt. Für sämtliche Mischungen wurde die gleiche Grundrezeptur gewählt. Variiert wurde innerhalb der Fraktionen 4/16 der Zuschlag in Art und prozentualer Zusammensetzung. Einen Überblick gibt Tabelle 2.

4. Versuchsergebnisse

4.1 Rezyklateigenschaften

In Bild 2 ist die Wasseraufnahme nach 24h über der mittleren Kornrohdichte der Fraktionen 4/8 und 8/16 dargestellt. Die Werte korrelieren sehr gut. In Bild 3 ist die mit dem Schlagversuch ermittelte Kornfestigkeit über der mittleren Kornrohdichte aufgetragen. Tendenziell liegt zwar mit steigender Kornrohdichte ein niedrigerer SZ-Wert und damit eine höhere Kornfestigkeit vor, ein klarer Zusammenhang ist jedoch nicht gegeben. Sowohl zwischen Altbetonfestigkeit und Rezyklatfestigkeit, als auch zwischen Altbetonfestigkeit und Rec.-Betonfestigkeit, konnte kein Zusammenhang festgestellt werden.

4.2 Betonuntersuchungen

4.2.1 Frischbetonuntersuchungen

Es zeigte sich bei Verwendung von Betonsplitt eine sehr starke Streuung dei der Auswirkung des Fließmittels auf das Ausbreitmaß und das Verdichtungsmaß. Diese Auswirkungen können durch das höhere Wasseraufnahmevermögen, Einfluß der Kornrauhigkeiten oder auch durch im Altbeton verwendete Zusatzmittel verursacht sein. Dieser Frage wurde in diesem Teilprojekt nicht weiter nachgegangen. Weiterhin sollte im Rahmen der betontechnischen Teilprojekte das Problem der starken Streuungen des Luftporengehalts in Abhängigkeit vom Ausgangsmaterial erfaßt werden.

Die gemessenen Luftporengehalte für Beton mit Rezyklaten lagen deutlich über den Werten für Beton aus Naturzuschlägen (bis zu 3-fache Werte). Es ist großer Wert auf eine ausreichend gute Verarbeitbarkeit des Materials zu legen. Rezepturen für Naturmaterial können bei Verwendung von Rezyklaten nicht ohne weiteres übernommen werden. Der Fließmittelanspruch ist vergleichsweise höher. Die gemessenen Rohdichten lagen 3 bis 10% (i.M. 6%) unter dem Mittelwert der Betone aus Naturmaterial.

4.2.2 Festbetonuntersuchungen

4.2.2.1 Standardversuche zum Verformungsverhalten

In Tabelle 3 und 4 sind von allen Mischungen jeweils die Mittelwerte der gemessenen Festigkeiten und Verformungen sowie normengemäß abgeleitete Werte zum Vergleich gegenüber gestellt.

Die Ergebnisse der im Rahmen der Dauerstanduntersuchungen durchgeführten Kurzzeitversuche und der zentrischen Prismenversuche wurden hier ebenfalls zur Auswertung herangezogen.

Es können folgende Aussagen gemacht werden:

• Das Verhältnis zwischen Würfel- und Zylinderdruckfestigkeit bzw. Prismenfestigkeit schwankt erwartungsgemäß zwischen 70% und 90%. Die bezogenen Zylinder- und Prismenfestigkeiten sind größenordnungsmäßig gleich. Ein Einfluß des Zuschlags ist nicht feststellbar.
• Der das Verhältnis zwischen Druckfestigkeit und Spaltzugfestigkeit kennzeichnende k-Wert liegt zwischen 0,24 und 0,27 und damit im Bereich von Normalbeton. Tendenziell ist bei steigendem Rezyklatanteil eine etwas höhere Spaltzugfestigkeit vorhanden (Normalbeton: 0,25; Rec.-Beton: 0,26).
• Der E-Modul sinkt mit steigendem Gesamtanteil an Rezyklaten und mit steigendem Anteil an vergleichsweise niedrigfesteren Rezyklaten. Er liegt bei den untersuchten Mischungen je nach Art und prozentualem Anteil der Rezyklate um 3% bis 10% niedriger als bei Normalbeton.
• Die Dehnungen bei Erreichen der maximalen Druckbelastung im Versuch sind bei Rec.-Beton tendenziell größer, das anschließende Bruchverhalten ist tendenziell spröder.

4.2.2.2 Tastversuche zur Spannungs-/Dehnungsverteilung in der Biegedruckzone

In Anlehnung an die Untersuchungen von Rüsch, Grasser et. al. wurden die Versuche an prismatischen Probekörpern durchgeführt. Probekörpergeometrie, gewählte Mischungen und gewählte konstante Exzentrizitäten längs der starken Achse zeigt Bild 4.

Die Spannungsverteilung in der Biegedruckzone wurde wie folgt ermittelt:

• Es wurde angenommen, daß die Kurve der Spannungsverteilung in der Biegedruckzone durch eine quadratische Parabel ausreichend genau beschrieben werden kann.
• Der Nulldurchgang der gesuchten Kurve soll mit dem Nulldurchgang der Dehnungsverteilung übereinstimmen.
• Aus der im Versuch eingestellten Exzentrizität ergibt sich die Lage des Schwerpunkts der Spannung und damit der Schwerpunkt der Fläche unter der gesuchten Kurve.
• Aus den gemessenen Randdehnungen und der gemessenen mittleren Spannung im Bruchzustand ergibt sich die Größe der Fläche unter der gesuchten Kurve.
• Die gesuchte Kurve soll den Fall des zentrischen Drucks mit einschließen.

Hieraus ergab sich ein einfach überbestimmtes Gleichungssystem mit drei Unbekannten, welches mit einem geeigneten Optimierungsverfahren gelöst wurde.
Für jeden einzelnen exzentrisch gedrückten Probekörper wurde auf diese Weise die Spannungsverteilung im Bruchzustand ermittelt. Somit standen je Mischung zwei Spannungsverteilungen zur Verfügung, aus welchen die Spannungsverteilung in der Biegedruckzone, wie sie sich in einem Biegebalken mit unbewehrter Druckzone einstellt, gewonnen werden konnte (Bild 5).

Der die Völligkeit der Spannungsverteilung kennzeichnende Wert a sowie die Lage der Betondruckkraft sind für die untersuchten Betone aus Bild 6 ersichtlich. Die dargestellten Spannungsverteilungen wurden auf Grundlage von Kurzzeitversuchen ermittelt. Der Einfluß der Dauerstandfestigkeit ist somit hier noch nicht berücksichtigt. Die eingestellte Verformungsgeschwindigkeit betrug 1^o/_oo je Minute. An den zentrisch gedrückten Prismen wurde zusätzlich die Querdehnung gemessen.

• Es können folgende vergleichende Aussagen getroffen werden:
• Die Randdehnung der Biegedruckzone ist bei Rec.-Beton bis zu 15% größer als bei Normalbeton.
• Die Völligkeit und somit die bezogene Druckkraft ist tendenziell geringer als bei Normalbeton.
• Die Resultierende der Druckkraft liegt tendenziell näher am äußeren Rand, der innere Hebelarm würde somit größer.
• Das Rotationsvermögen wird durch größere Randdehnungen erhöht.
• Die Querdehnungen lagen zwischen 0,25 (NB) und 0,15 (50% Kies/40% Altb./10% Mst.).

4.2.2.3 Tastversuche zur Dauerstandfestigkeit

Für die Dauerstandversuche wurden die gleichen Zuschlaggemische ausgewählt wie für die Prismenversuche (Bild 4). Abweichend von Rüsch, Grasser et. al. wurden die Versuche ausschließlich an zentrisch belasteten Zylindern (15/30) durchgeführt. Zum einen wurden Versuche mit konstanten Belastungsgraden, zum anderen mit unterschiedlichen Verformungsgeschwindigkeiten durchgeführt. Die Verformungsgeschwindigkeiten wurden zwischen 1^o/_oo /30min. und 1^o/_oo /h variiert, die Soll-Belastungsgrade zwischen 85% und 90%. Aufgrund des sehr knappen Zeitplans konnten nur Standzeiten von 1,5-3h realisiert werden.

Die Einzelschritte der Prüfung und Auswertung werden nachfolgend beschrieben:

1. Bestimmung der mittleren Kurzzeitfestigkeit sowie der vollständigen Arbeitslinien an drei Zylindern (v= 1^o/_oo /min.).
2. Aufbringung des auf die Kurzzeitfestigkeit bezogenen Soll-Belastungsgrades innerhalb von zwei Minuten, Erfassung der Last-Verformungskurve.
3. Aufrechthaltung des Belastungsgrades über die vorgegebene Standzeit, Erfassung des Verformungs-Zeitverlaufs. In der Regel versagte der Probekörper nicht innerhalb der vorgegebenen Standzeit.
4. Entlastung des Probekörpers nach Ablauf der vorgegebenen Standzeit, sofortige Ermittlung der vollständigen Last-Verformungskurve am Selbigen (v= 1^o/_oo /min.).
5. Abschätzung der Bruchverformung, bei möglichem Dauerstandbruch auf der sicheren Seite liegend. Bei Abschätzung der Bruchverformung aus den verformungsgeregelten Langzeitversuchen liegt der Wert auf der unsicheren Seite.
6. Extrapolation der Standzeit aus der geschätzten Bruchverformung.
7. Abschätzung des Ist-Belastungsgrades, Extrapolierung einer Belastungsgrad-Standzeit-Beziehung aus den Einzelwerten.

Die Ergebnisse der Versuchsauswertung zeigt Bild 7. Da der Einfluß der Nacherhärtung nicht berücksichtigt wurde und keine Versuche über einen längeren Zeitraum durchgeführt wurden (erforderlich ggfs.über mehrere Monate), weisen die ermittelten Kurven keinen Anstieg und damit ein die kritische Standzeit und den zugehörigen Belastungsgrad kennzeichnendes Minimum auf. Die Durchführung entsprechender Versuche ist im Rahmen dieses Projektes nicht möglich. Da für Normalbeton und Leichtbeton im Rahmen umfangreicher Untersuchungen diese Werte ermittelt wurden, sind zusammen mit den eigenen Ergebnissen realistische Abschätzungen möglich.

Das bekannte Verhalten der Festigkeitsentwicklung unter Dauerlast mit Berücksichtigung der Nacherhärtung zeigt Bild 8. Die Kurve für den Rec.-Beton bietet natürlich noch einen gewissen Spekulationsspielraum.

Es lassen sich folgende Aussagen treffen:

• Die aus extrapolierten Versuchsergebnissen ermittelten Kurven ergeben für Rec.-Beton eine vergleichsweise geringere Dauerstandfestigkeit als für den Normalbeton.
• Die kritische Standzeit kann anhand der durchgeführten Versuche nicht ermittelt werden. Da der Rec.-Beton nach den bisherigen Ergebnissen aufgrund seiner Zuschlageigenschaften und seines Verformungsverhaltens zwischen Normalbeton und Leichtbeton einzustufen ist, wird zunächst angenommen, daß dies auch für die kritische Standzeit gilt.
• Für den Fall, daß die kritische Standzeit der des Normalbetons entspricht, ergeben die Untersuchungen für den Rec.-Beton einen Festigkeitsabfall bis zu ca. 10% gegenüber dem Normalbeton. Sollte die kritische Standzeit größer sein, was zu erwarten ist, kann die Dauerstandfestigkeit im Vergleich zum Normalbeton um mehr als 15% geringer sein.
• Aus der vergleichsweise geringeren Dauerstandfestigkeit des Rec.-Betons gegenüber dem Normalbeton folgt, daß das Parabel-Rechteck-Diagramm nach DIN 1045/EC2 als Bemessungsgrundlage nicht uneingeschränkt verwendet werden kann (Bild 9).

5. Bauteilversuche

5.1 Ziel

Im Rahmen dieser Untersuchungen soll der Einfluß von Rezyklaten in Form von Betonbestandteilen auf das Systemtragverhalten von Stabtragwerken von Stahlbeton untersucht werden.

5.2 Systemtragverhalten

Statisch unbestimmte Tragwerke verfügen i.d.R. nach lokalem Überschreiten der Querschnittstragfähigkeit noch über zusätzliche Tragreserven, d.h. das System kann weiter Lasten aufnehmen. Systemversagen tritt ein, wenn an verschiedenen Stellen die Tragfähigkeit dahingehend erschöpft ist, daß sich eine kinematische Kette bildet. Bis zu diesem Punkt lagern sich Schnittgrößen in Abhängigkeit von der Systemgeometrie, den Belastungen und der Verteilung der Steifigkeiten innerhalb des Systems von Bereichen, deren Querschnittstragfähigkeit erreicht ist, zu noch tragfähigen Bereichen, d.h. zu Bereichen, die noch höhere Schnittkräfte aufnehmen können, um. Die Umlagerung von Schnittkräften setzt jedoch ein ausreichendes Verformungsvermögen plastizierter Tragwerksbereiche, konkret eine ausreichende Verdrehfähigkeit voraus, d.h. die entsprechenden Querschnitte können bei steigender Systembelastung bestimmte Grenzschnittgrößen unter gleichzeitiger Verformungszunahme zumindest halten. Diese Eigenschaft wird auch als Rotationsvermögen bezeichnet. Das Rotationsvermögen ist von einer Vielzahl von Parametern auf Materialebene, auf Querschnittsebene und auf Systemebene abhängig.

5.3 Projektierung

Entsprechend dem Forschungsziel sind die Einflüsse des Spannungs-Dehnungsverhaltens des Betons in der Biegedruckzone, des Verbundverhaltens sowie des Schubtragverhaltens auf das Gesamttragwerksverhalten von Interesse. Schub-und Verbundverhalten sind z.Z. schwerpunktmäßig in anderen Projekten Gegenstand der Forschung. Ziel der Vordimensionierung ist es somit zum einen die Parameter dahingehend einzustellen, daß die zu untersuchenden Einflüsse möglichst transparent sind, zum anderen in jedem Fall eine praxisrelevante und normengemäße Konstruktion zu finden. Die Bauteile werden daher zunächst so dimensioniert, daß nach einer normengemäß zulässigen Umlagerung Biegedruckversagen eintritt. Das Vorgehen ist wie folgt:

• Ansetzung der in Prismensuchen ermittelten echten Betonkennlinien (Stahlkennlinien werden ebenfalls bestimmt), Teilsicherheitsbeiwerte werden nicht berücksichtigt.
• Festlegung von System und Abmessungen unter Berücksichtigung versuchstechnischer Randbedingungen.
• Festlegung der Querschnittswerte (Biegeschlankheit, Trägerhöhe).
• Ermittlung von Zug-, Druck-, und Schubbewehrung unter Berücksichtigung der konstruktiven Forderungen (Mindestbewehrungsgrade, Grenzabstände-und Längen u.s.w.).

Besondere Beachtung ist den Parametern Druck-und Schubbewehrung zu schenken, da sie das Verhalten der Biegedruckzone stark beeinflussen können und somit die Gefahr besteht, daß die betonseitigen Einflüsse überdeckt werden können:

• Die Schubbeanspruchung ist u.a. von der Biegeschlankheit, der Belastung und der Querschnittsgeometrie abhängig.
• Die Schubbewehrung bedingt überall eine Druckbewehrung in Form von Montagestäben, im Auflagerbereich mindestens 25% der max. Feldbewehrung.
• Mindestbügelabstände sind u.a. von der Querschnittshöhe abhängig.

Der Bügelabstand wird voraussichtlich das Verhalten der Biegedruckzone am stärksten beeinflussen.

5.4 Messungen

Zur Ermittlung der Daten von Umlagerungen im System sind die folgenden Meßwerte zu erfassen:

• Äußere Lasten, Auflagerreaktionen,
• Durchbiegungen,
• Beton-u. Stahldehnungen,
• Rißbilder, Rißbreiten, Rißabstände.

Mit diesen Daten sind die Beanspruchungen der Bauteile in jeder Beanspruchungsstufe nachrechenbar. Zusätzlich ergeben sich aus den Rißdaten Aufschlüsse zum Verbundverhalten.