Bericht über den Stand der Teilprojekte
F01: Überprüfung der Betonkennwerte für die Bemessung,
F02: Überprüfung des Verbundverhaltens

Zwischenbericht 9/98

Dipl.-Ing. Frank Roos
Lehrstuhl für Massivbau
Technische Universität München

Univ.-Prof. Dr.-Ing.Konrad Zilch
Lehrstuhl für Massivbau
Technische Universität München

1 Einleitung

Im Rahmen des Forschungsvorhabens „Baustoffkreislauf im Massivbau" bearbeitet der Lehrstuhl für Massivbau der Technischen Universität München die Teilprojekte F01 und F02. In diesen wird überprüft, inwieweit die Bemessungskennwerte und Regeln, die für den Normalbeton gelten, auf Beton mit rezyklierten Zuschlägen angewendet werden können. Das Versuchsprogramm der TU München beinhaltet Versuche zur Untersuchung des Schwind-, Kriech- und Verbundverhaltens, sowie zur Rißverzahnung. Bis auf die Rißverzahnung sind inzwischen alle Versuche abgeschlossen. Auch ein Tastversuch, der erste Anhaltspunkte über die Dauerstandfestigkeit liefern sollte, ist abgeschlossen. In diesem Beitrag werden die bisher erzielten Ergebnisse vorgestellt.

2 Überblick über den Stand der Arbeiten

Die Arbeit wurde mit dem Beginn des Projektes im Februar 1996 aufgenommen und soll Ende Februar 1999 mit der Vorlage des Forschungsberichtes abgeschlossen werden.

Die Versuchsvorbereitungen sind wie geplant zum Ende des zweiten Quartals 1997 abgeschlossen worden. Auch die Kriechversuche sowie die Schwind- und Verbundversuche sind abgeschlossen. Die Ergebnisse werden in den Kapiteln 2.1 und 2.2 vorgestellt.

Die Versuche zur Untersuchung der Rißverzahnung werden zur Zeit begonnen und sofort nach ihrer Durchführung ausgewertet.

Außerplanmäßig wurde ein Zylinder der Mischung RC-B (100% Recyclingzuschläge) am 23.12.1997 mit 80% der Zylinderdruckfestigkeit in einer hydraulischen Presse belastet. Nach zehn Tagen zeigte der Körper erst eine leichte und im weiteren Verlauf immer weiter zunehmende Schuppenbildung. Nach 7 Monaten wurde der Versuch beendet und die Betondruckfestigkeit des Körpers bestimmt. Mit 21,5 N/mm² erreichte er, trotz der offensichtlichen Schädigung, die gleiche Festigkeit wie die unbelasteten Zylinder. Dieses Ergebnis deutet an, daß die Dauerstandfestigkeit von Beton mit rezyklierten Zuschlägen nicht schlechter als die von Normalbeton ist. Diese Vermutung sollte aber durch weitere Forschung untermauert werden.

2.1 Stand des Teilprojektes F01

2.1.1 Kriechversuche

Es wurden drei verschiedene Mischungen zum Vergleich der Bemessungskennwerte hergestellt. Sie unterscheiden sich untereinander nur im Prozentsatz an rezyklierten Zuschlägen.

Die durch das Forschungsvorhaben vorgegebenen Randbedingungen und das genaue Vorgehen bei der Herstellung der Probekörper, sowie die Lagerung und die Vorgehensweise bei der Prüfung können dem letzten Statusseminarband oder der Quelle [1] entnommen werden. An dieser Stelle sollen nur die Ergebnisse zusammengefaßt werden.

Die Tabelle 1 zeigt die erreichten Frisch- und Festbetoneigenschaften.

Die Bilder 1 bis 3 zeigen die Kriechzahlen j _t der drei Mischungen bei den unterschiedlichen Belastungsstufen. Hierbei handelt es sich um den Mittelwert aus jeweils drei Versuchen. Zuerst wurden die Kurven der Gesamtverformungen aus den Meßwerten erstellt. Hiervon wurde die elastische Verformung abgezogen und der Schwindeinfluß, aus Kapitel 2.1.2, eliminiert. Durch die Division mit der elastischen Verformung erhält man somit die Kriechzahl. Auf der Abszisse ist die Zeit in logarithmischem Maßstab angetragen.

Die errechneten elastischen Verformungen waren bei 30% Belastung identisch mit den gemessenen Kurzzeitverformungen. Bei den höheren Belastungen weichte die gemessene Verformung, bedingt durch die einsetzende Mikrorißbildung mit steigendem Lastniveau, zunehmend nach oben von der errechneten Verformung ab. Bei der von uns durchgeführten und oben beschriebenen Auswertung wurde nur die rechnerische elastische Verformung berücksichtigt.

Die Mischung RC-B weißt in allen Laststufen eine deutlich höhere Kriechverformung als der Referenzbeton auf. Bei 70% Belastung ist es sogar das 2,5 fache. Dies dürfte zum größten Teil auf die Korngruppe kleiner 4 mm zurück zu führen sein. Die Mischung RC-A zeigt eine sehr große Streuung liegt aber bei 30% Belastung im Bereich und bei 50% Belastung sogar unter dem Normalbeton. Nur im Bereich von 70% Belastung zeigt auch diese Mischung mit Natursand eine um ein Drittel höhere Kriechverformung. Hierdurch wird deutlich, daß auch der am groben Zuschlag anhaftende Zementstein noch einen wenn auch kleineren Einfluß auf das Kriechen hat.

Bei Normalbeton besitzt der Zuschlag üblicherweise eine deutlich höhere Steifigkeit als die Zementmatrix. Es wird allgemein davon ausgegangen, daß der maßgebende Teil der Kriechverformung in der hoch ausgenutzten Zementmatrix stattfindet und nicht im Zuschlag. Bei Beton mit rezyklierten Zuschlägen ist diese Annahme nicht mehr ohne weiteres richtig, da die am Zuschlagkorn anhaftende alte Zementmatrix mit hoher Wahrscheinlichkeit keine höhere Steifigkeit als die neue Zementmatrix besitzt.

Ein möglicher Kritikpunkt bei den hier aufgeführten Vergleichen ist mit Sicherheit, daß die Kurven mit unterschiedlichen Spannungsniveaus ermittelt wurden. Betroffen ist hier vor allem die Mischung RC-B. Der Grund hierfür ist die unterschiedliche Betondruckfestigkeit der einzelnen Mischungen. So wurde die Belastung zwar mit den gleichen prozentualen Anteilen der Betondruckfestigkeit vorgenommen, da diese aber speziell bei der Mischung RC-B nicht den gewünschten Wert erreichten, schwanken die absoluten Spannungen bei der Belastung mit 70% der Zylinderdruckfestigkeit doch erheblich.

2.1.2 Schwindversuche

Die Versuche laufen parallel zu den Kriechversuchen. Die Körper stammen aus den gleichen Betonmischungen und dienen auch gleichzeitig zur Kompensation der Schwindverformungen bei den Kriechversuchen.

Wie erwartet weisen die versiegelten Körper ein verzögertes und im Betrag kleineres Schwinden auf. Hier fehlt auch das anfängliche Quellen, das durch die Lagerung im Feuchtraum bedingt ist. Insgesamt zeigt der Recyclingbeton ein erhöhtes Schwinden.

2.2 Stand des Teilprojektes F02

Dieses Teilprojekt ist bereits abgeschlossen. Für die Verbundversuche wurden wieder die gleichen Betonrezepturen verwendet. Zur besseren Unterscheidung wurde in den Namen jeweils ein V aufgenommen. So lauten die Bezeichnungen nun:

Die Betoneigenschaften können der Tabelle 2 entnommen werden.

Entscheidend für die Bemessung, soweit es den Verbund betrifft, ist die Verankerungslänge. Bei der Überprüfung des Verbundverhaltens wurde an Ausziehkörpern eine Verbundschlupfbeziehung für jede Serie und die variierten Parameter ermittelt. Die Kurven sind dem letzten Zwischenbericht oder der Quelle [1] zu entnehmen.

Nach der ENV 1991-1 : 1994 [2] ist es möglich bereits eine Standardabweichung für nur drei Testergebnisse zu ermitteln. Da dies aber zu einer sehr hohen Abweichung führt, die der Recyclingbeton so vielleicht gar nicht hat, wurde bei den hier beschriebenen Auswertungen der Mittelwert aus drei Versuchen verwendet.

Der Beton mit rezyklierten Zuschlägen weißt ein wesentlich weicheres Verbundverhalten auf. Die Kraft die durch Adhäsion übertragen werden kann ist bei diesem neuen Baustoff deutlich geringer. Dies ist allerdings für die Berechnung der Verankerungslänge unbedeutend, da diese Tragkraft bereits bei sehr kleinen Verschiebungen verloren geht. So ist für die Verankerungslänge wohl sicherlich das weichere Verbundverhalten des Recyclingbetons der ausschlaggebende Faktor.

Um die Frage zu beantworten welche Konsequenz diese Eigenschaft auf die Verankerungslänge hat ist es hilfreich, unter Verwendung der ermittelten Verbundgrundgesetze, die Differenzialgleichung des verschieblichen Verbunds iterativ zu lösen.

[1]

Als Ergebnis erhält man eine Verankerungslänge für den Stahl bei einem vorgegebenen Endchlupf. Für die hier beschriebenen Auswertungen wurden zwei Fälle betrachtet. Einmal der voll ausgenutzte Stahl mit einem Endschlupf von 0,01 mm und zum anderen der unter Gebrauchsspannungen stehende Stab mit einem Endschlupf von 0,01 mm.

Nimmt man nun die Verankerungslänge des Normalbetons als Basis, ist es möglich einen Faktor für die Bemessung der Verankerungslänge von Stahl in Recyclingbeton nach Gleichung [2] zu bestimmen.

[2]

Dieser Faktor stellt das Sicherheitsniveau der DIN 1045 [3] bei der Bemessung sicher. Für den RC-A-V ist der Faktor F_RC-A-V im schlimmsten Fall 1,25 und für den RC-B-V 2,00.

Zu Anfang des Projektes bestand die Hoffnung das es möglich wäre einen Beton aus 100% rezykliertem Material herzustellen. Es ist aber nicht gelungen die Betoneigenschaften sicher einstellen. Die Hauptursache dafür ist sicherlich die Schwierigkeit die Wasseraufnahme der Kornfraktion kleiner 4 mm zu bestimmen. In der neuen Richtlinie des DAfStb „Beton mit rezykliertem Zuschlag" [4] ist daher, wenn auch nicht nur aus diesem Grund, der Prozentsatz an rezykliertem Zuschlag auf ca. 30% beschränkt worden. Wird die Tabelle 1-1 der genannten Richtlinie angewendet, ist es möglich den Faktor F_x mit 1,00 anzusetzen ohne einen Verlust an Sicherheit hinnehmen zu müssen. Mit der Verwendung von natürlichem Sand lassen sich die gewünschten Betoneigenschaften problemlos einstellen und wie unsere Versuche zeigen, verkleinert sich der Faktor mit abnehmendem Anteil an rezyklierten Zuschlägen rapide.

3 Zusammenfassung

Die Versuchsdurchführungen des Teilprojektes F01 liegen genau in der geplanten Zeit. Die Kriech- und Schwindversuche sowie die Verbundversuche des Teilprojektes F02 sind abgeschlossen, und die Ergebnisse wurden hier vorgestellt. Werden die Regeln der neuen Richtlinie des DAfStb „Beton mit rezykliertem Zuschlag" eingehalten ist eine Bemessung nach der gültigen DIN 1045 in der Ausgabe vom Juli 1988 möglich.

4 Literaturverzeichnis