Experimentelle Untersuchung des Druck- und Zugkriechens von Alt- und Aufbeton

Eine beliebte Methode zur Sanierung oder Verstärkung von Betontragwerken besteht im Aufbringen einer Aufbetonschicht. Die Dauerhaftigkeit eines mit Aufbeton verstärkten Betontragwerks wird vor allem durch die Zwängungen zwischen Alt- und Aufbeton maßgeblich beeinflusst. Diese werden hauptsächlich durch das Schwinden des Aufbetons, das durch den Altbeton behindert wird, hervorgerufen. Deshalb werden im Aufbeton Zugspannungen generiert, während im Altbeton Druckspannungen entstehen. Im angestrebten Fall einer intakten Aufbetonschicht werden diese Spannungen durch Kriechen des Betons reduziert. Trotzdem können sie in ungünstigen Fällen Versagen durch Rissbildung in der Aufbetonschicht oder durch Ablösen der Aufbetonschicht vom Altbeton bewirken. Die Intention des geplanten Forschungsvorhabens ist die Ermittlung der Grundlagen zur Beurteilung von Zwängungseffekten durch ein Versuchsprogramm zum Druck- und Zugkriechen von Alt- bzw. Aufbeton mit dem Ziel, Rissbildung in der Aufbetonschicht oder Ablösen der Aufbetonschicht vom Altbeton zu verhindern. Das Versuchsprogramm umfasst Druck- und Zugkriechversuche, die an Probekörpern mit unterschiedlichem Alter bei Belastungsbeginn und bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen durchgeführt werden, sowie Schwindversuche an unbelasteten Probekörpern. Der Vergleich der an zylindrischen Probekörpern gleicher Größe gemessenen Verzerrungen zufolge Grund- und Trocknungskriechen ermöglicht einen tiefen Einblick in das zeitabhängige Verhalten des Alt- und Aufbetons unter Druck- bzw. Zugbeanspruchung. Die Probekörper werden im Alter von 2 Tagen, 7 Tagen und 28 Tagen jeweils mit 30% der entsprechenden einaxialen Druck- bzw. Zugfestigkeit belastet. Zur Vertiefung der Kenntnisse über das erwartete nichtlineare Zugkriechen des Aufbetons werden zusätzlich Zugkriechversuche mit Lastniveaus zwischen 60% und 80% der entsprechenden einaxialen Zugfestigkeit durchgeführt. Weiters wird mittels eines zerstörungsfreien Messsystems der Wassergehalt sowohl in den Probekörpern zur Untersuchung des Kriechverhaltens unter Druck- und Zugbeanspruchung als auch in den Probekörpern zur Untersuchung des autogenen Schwindens und Trocknungsschwindens in Abhängigkeit der Zeit ermittelt. Der Vergleich der entsprechenden zeitabhängigen Wassergehalte und der zugehörigen Verformungen erlaubt eine detaillierte Untersuchung des Pickett-Effekts unter Druck- und Zugbeanspruchung anhand numerischer Simulationen. Schließlich werden die Ergebnisse des geplanten Forschungsvorhabens eine wertvolle Grundlage für die Kalibrierung von numerischen Modellen zur Untersuchung des zeitabhängigen Materialverhaltens von mit Aufbeton verstärkten Betontragwerken bilden. Mit diesen Modellen können die Wechselwirkungen zwischen Erhärten, Schwinden und Kriechen des Aufbetons und Schwinden und Kriechen des Altbetons numerisch simuliert werden und folglich die Zwängungen zwischen dem Aufbeton und dem Altbeton beurteilt werden.

Das zunehmende Alter des Brückenbestands und das die letzten Jahrzehnte hindurch steigende Verkehrsaufkommen stellen ein große Herausforderung für die Instandhaltung und/oder Verstärkung bestehender Brückentragwerke dar. Eine gängige Methode zur Sanierung oder Verstärkung eines Brückentragwerks besteht im Aufbringen einer Aufbetonschicht auf die bestehende Fahrbahnplatte. Die Dauerhaftigkeit eines mit Aufbeton verstärkten Betontragwerks wird vor allem durch die Zwängungen zwischen Alt- und Aufbeton maßgeblich beeinflusst. Diese werden hauptsächlich durch das infolge der Erhärtung und des Trocknens des Aufbetons bewirkte Schwinden, das durch eine Volumenabnahme gekennzeichnet ist, hervorgerufen. Da letzteres durch den Altbeton behindert wird, entstehen im Aufbeton Zugspannungen und im Altbeton Druckspannungen. Die Zugspannungen im Aufbeton können zur Rissbildung und folglich zu einer Schädigung des Tragwerks führen. Im anzustrebenden Fall einer intakten Aufbetonschicht werden diese Spannungen durch Kriechen des Betons, d.h. durch eine zeitabhängige Zunahme der Verformungen unter konstanter Last, ohne Rissbildung abgebaut. Da das Ziel einer Sanierung oder Verstärkung eines Tragwerks die Gewährleistung einer intakten Aufbetonschicht ist, wurden im Rahmen des Forschungsvorhabens experimentelle Grundlagen zur Beurteilung von Zwängungseffekten zwischen Alt- und Aufbeton geschaffen. Zu diesem Zweck wurde ein umfassendes Versuchsprogramm zum zeitabhängigen Materialverhalten von Alt- bzw. Aufbeton durchgeführt. Es umfasste die Entwicklung der Temperatur des erhärtenden Aufbetons, die Wasserabsorption und -desorption des Aufbetons, Schwindversuche und Kriechversuche unter konstanten Druck- und Zugspannungen. Die Versuche wurden an Probekörpern durchgeführt, die bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen gelagert wurden und unterschiedliches Alter bei Belastungsbeginn aufwiesen. Die Ergebnisse des Forschungsvorhabens wurden in internationalen wissenschaftlichen Zeitschriften (Strain, Materials, Bauingenieur, Materials Today: Proceedings) publiziert und auf wissenschaftlichen Konferenzen präsentiert (58. DAfStb-Forschungskolloquium in Kaiserlautern, 2nd International RILEM/COST Conference on Early Age Cracking and Serviceability in Cement-based Materials and Structures in Brusseles, 6th ECCOMAS European Conference on Computational Mechanics & 7th European Conference on Computational Fluid Dynamics in Glasgow (ECCM-ECFD 2018)). Die Versuchsergebnisse stellen eine wertvolle Grundlage für die Kalibrierung von Modellen zur numerischen Simulation des zeitabhängigen Verhaltens von mit Aufbeton verstärkten Betontragwerken dar. Mit diesen Modellen können die Wechselwirkungen zwischen Erhärten, Schwinden und Kriechen des Aufbetons und Schwinden und Kriechen des Altbetons erfasst werden und folglich die Zwängungen zwischen dem Aufbeton und dem Altbeton beurteilt werden.