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Forschung

Cellulosefaser-Leichtbeton (CFLC)

ISBN 978-3-86780-498

IfB Heft 2016/1

CFLC (Cellulose-Fibre Lightweight Concrete) ist ein zementgebundener Leichtbeton auf der Basis von aus Sekundärfaserstoffen herausgelösten Cellulosefasern. Die Intention zur Untersuchung dieses mitunter auch als Papercrete bezeichneten und bislang nur verhältnismäßig wenig erforschten Materials beruht insbesondere darauf, dass von einer Kombination eines leicht verfügbaren Faserstoffs pflanzlichen Ursprungs (Altpapier) mit einem mineralischen Bindemittel (Zement) eine Reihe positiver Wechselwirkungen erwartet werden darf.

Die schlauchartige Gestalt der Cellulosefasern bedingt, dass diese organischen Fasern neben einer Zugkraftübertragung auch in der Lage sind, einen nennenswerten bindemittelfreien Porenraum im Material zu erzeugen. Die Doppelfunktion von Faserbewehrung und Leichtzuschlag stellt die eigentliche Innovation dieses „Leichtbetons auf der Basis von Mikrohohlfasern“ dar und ermöglicht sogar die Realisierung von dämmstofftypischen Rohdichtewerten (Infraleichtbeton).

Die zentralen Ergebnisse der hierzu durchgeführten Forschungsarbeiten sind in der folgenden Publikation enthalten:

Thiel, T.: Entwicklung von Cellulosefaser-Leichtbeton (CFLC) und Untersuchung des bruchmechanischen Verhaltens

ISBN: 978-3-86780-498-1
(Printversion 30,00 €, über den Buchhandel bzw. den Autor beziehbar)

Es werden Wege aufgezeigt, wie der Faseraufschluss und der Herstellungsprozess des CFLC in betontechnologischer Hinsicht umgesetzt werden kann. In diesem Zusammenhang wird ein für den zielgerichteten Mischungsentwurf entwickelter Algorithmus vorgestellt. Weiterhin werden die Ergebnisse der Untersuchungen hinsichtlich der durch die Faserzugabe deutlich veränderten Frischbetoneigenschaften sowie die Auswirkungen auf den Mischvorgang, die Einbautechnologie und auf ein umfangreiches Spektrum an Festbetoneigenschaften dargestellt.

Die bruchmechanischen Untersuchungen konzentrieren sich auf CFLC-Zusammensetzungen im Rohdichtebereich des Porenbetons. Im Zentrum steht hierbei die Charakterisierung der mit der gezielten Einführung von Haufwerksporen im Frischbeton verbundenen Veränderungen hinsichtlich des Verformungs- und Rissverhaltens. Um das Verhalten des Cellulosefaserleichtbetons bei Zugbeanspruchung in einer praktikablen Form beschreiben zu können, wurde ein dreiteiliges Modell auf der Basis des „beschränkten Wachstums“ entwickelt. Im Zusammenhang mit der optischen Untersuchung von Bruchprozessen werden geeignete Wege für die Analyse von CFLC-Bruchflächen und zur Bestimmung von Texturkennwerten aufgezeigt.

Bruchfläche von Cellulosefaser-Leichtbeton
Bruchfläche von Cellulosefaser-Leichtbeton
CFLC-Frischbeton
CFLC-Frischbeton
CFLC-Partikel mit eingebetteten Cellulosefasern
CFLC-Partikel mit eingebetteten Cellulosefasern
Mauerstein aus Cellulosefaser-Leichtbeton
Mauerstein aus Cellulosefaser-Leichtbeton
Probemauer aus Cellulosefaser-Leichtbeton
Probemauer aus Cellulosefaser-Leichtbeton
abgerissene Cellulosefaser
abgerissene Cellulosefaser

Einflüsse auf den Frost- und Frost-Tausalz-Widerstand von Beton

Frostschäden am Betonpflaster

Frostschäden am Betonpflaster

Trotz normgerechter Herstellung von Betonen für Verkehrsflächen treten immer wieder nach relativ kurzer Zeit Schäden an der Oberfläche auf. Derartige Mängel erfordern stets einen hohen Instandsetzungsaufwand. Die Erfassung der Einflussfaktoren auf die Entstehung dieser Schäden trägt dazu bei, derartige Fehler künftig zu vermeiden. Weiterhin ergeben sich Untersuchungen zum Widerstand von hochfesten Betonen sowie Sonderbetonen gegenüber Frost-Tausalz-Angriff.

Dazu stehen von der Frischbetonprüfung bis hin zur Festbetonanalytik moderne Prüfgeräte zur Verfügung. Weiterhin ermöglichen einige Klimaprüfmaschinen die Durchführung zahlreicher Frost- und Frost-Tausalz-Prüfverfahren. Damit können auch die tatsächlichen Beanspruchungen modifiziert nachvollzogen werden und Beiträge zur realistischen Beanspruchung von Baustoffen geliefert werden.

Die folgende Publikation beschäftigt sich mit der Problematik des Frost-Tausalz-Widerstandes von Straßenbeton und speziell mit der Beurteilung des Aussagefähigkeit verschiedener Prüfverfahren:

Grieger, G., Thiel, T.: Die Prüfung des Frost-Tausalz-Widerstandes an Straßenbeton

Festigkeitsentwicklung von Betonen im jungen Stadium der Erhärtung

Consonic 60

Kontinuierliche Überwachung der Festigkeitsentwicklung von Beton mittels Ultraschall

Für zahlreiche Prozesse der Bautechnologie sind die Kenntnis der Festigkeitswicklung und die Entwicklung des Elastizitätsmoduls von Beton im jungen Stadium der Erhärtung von Bedeutung. So können Decken bei entsprechender Unterstützung früher entschalt oder Spannbetonelemente ohne zu erwartende Beuteilverkürzungen sicher vorgespannt werden.

Auch das zielsichere Schneiden von Scheinfugen beim Autobahnbau kann durch derartige Prüfungen gesteuert werden. Grundlage dazu bildet eine Ultraschallmesseinrichtung, deren Sonden in den Frischbeton eingebracht werden und ständig die sich entwickelnde Ultraschalllaufzeit messen. Durch die Prüfung der Ultraschalldehnwelle und auch der statistischen E-Modul-prüfung sind vergleichende und der Praxis entsprechende Kennwerte erfassbar.

Einfluss von Schalung, Technologie und Trennmittel auf die Betonoberflächenqualität

Sichtbeton

Sichtbeton

In zunehmendem Maße wird von der Oberfläche der Betonbauteile eine Sichtbetonqualität verlangt. Das erfordert hohe Ansprüche an die Betonzusammensetzung, an richtige Verarbeitung und auch an die Schalung. Eine wichtige Rolle spielt auch das jeweilige Trennmittel, mit dem die Schalung vor dem Betonieren behandelt wird. Dabei ist neben der Regenbeständigkeit, der Verarbeitbarkeit auf der Baustelle und dem farblichen Einfluss auf die Betonoberfläche vor allem die Trennwirkung wichtig. Durch zahlreiche modifizierte Prüfungen können diese Einflussfaktoren auch auf unterschiedliche Schalungsmaterialien wie Holz, Kunststoff oder Stahl bestimmt werden.

Bedeutung der Alkali-Kieselsäure-Reaktion südlich der laut Richtlinie des DAfStB kritischen Grenzlinie

AKR-Schaden an einem Brückenpfeiler

AKR-Schaden an einem Brückenpfeiler

Die Alkali-Kieselsäure-Reaktion ist ein zeitabhängiger Prozess, der bei Vorliegen bestimmter Voraussetzungen bis hin zum vollkommenen Zerstören des Betons führen kann. Wie zahlreiche Untersuchungen an Ingenieurbauwerken belegen, müssen auch südlich der in der Richtlinie des Deutschen Ausschusses für Stahlbeton fixierten geografischen Grenzlinie verschiedene Schäden dieser Reaktion zugeschrieben werden.

Die nachfolgende Publikation enthält eine Zusammenfassung der wesentlichsten Erkenntnisse, die bei den Untersuchungen von durch eine AKR geschädigten Bauwerken gewonnen werden konnten:

Grieger, C., Thiel, T. – Betonschäden durch Alkali-Kieselsäure-Reaktion

Griffigkeit von Betonfahrbahnen

Betonfahrbahn mit Waschbetonoberfläche

Betonfahrbahn mit Waschbetonoberfläche

Die Verkehrssicherheit und somit der Gebrauchswert von Betonstraßen wird neben der dauerhaften Tragfähigkeit sowie der Dauerbeständigkeit maßgebend durch die Griffigkeit der Fahrbahnoberfläche bestimmt. In der ZTV Beton-StB 01 wurden im Jahr 2001 erstmals verbindliche quantitative Anforderungen an die Griffigkeit von nassen Fahrbahnoberflächen gestellt. Neben dieser wichtigen Eigenschaft gewinnt jedoch auch die Lärmemission immer mehr an Bedeutung. Hieraus ergibt sich eine Optimierungsaufgabe hinsichtlich der Gestaltung der Oberflächentextur – die Gewährleistung einer insgesamt hohen und dauerhaften Griffigkeit bei gleichzeitiger Reduzierung des Reifen/Fahrbahn-Geräusches.

Die Griffigkeit von Fahrbahnoberflächen nimmt – bedingt durch die permanenten Beanspruchungen aus dem Verkehr und der Witterung – mit der Zeit immer weiter ab. Betonfahrbahnen lassen gegenüber Asphaltfahrbahnen – aufgrund ihrer hohen Verformungsstabilität, insbesondere bei hohen Verkehrsbelastungen – eine deutlich höhere Nutzungsdauer erwarten. Um während der relativ langen Lebensdauer eine ausreichende Griffigkeit und damit eine hohe Verkehrssicherheit zu gewährleisten, sind derzeit meist zusätzliche Maßnahmen zur Wiederherstellung der notwendigen Griffigkeit erforderlich. Diese Maßnahmen sind oftmals mit erheblichen finanziellen Aufwendungen verbunden – bei der Betrachtung zur Wirtschaftlichkeit eines Streckenabschnittes müssen diese Kosten demzufolge mit einfließen.

Die Ergebnisse von umfangreichen Untersuchungen zur Dauerhaftigkeit der Griffigkeit von Betonfahrbahnen in Mitteldeutschland sind in der folgenden Masterarbeit zusammengefasst worden:

Thiel, T.: Untersuchungen zur Dauerhaftigkeit der Griffigkeit von Betonfahrbahnen
anhand von ausgewählten Beispielflächen sowie Bewertung der Einflussfaktoren
hinsichtlich einer optimalen Gebrauchstauglichkeit

Aktualisiert: 22.02.2017  |  Autor: Th. Thiel