Ultrahochfester Beton

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Ultrahochfester Beton (englisch Ultra High Performance Concrete, gebräuchliche Abkürzung UHPC/UHFB) ist eine Betonsorte, die sich noch in der Entwicklungsphase befindet. Als „ultrahochfest“ werden Betone bezeichnet, die Druckfestigkeiten oberhalb der in DIN EN 206-1 definierten Festigkeitsklasse C 100/115, insbesondere über 150 N/mm², erreichen. Sie fallen somit nicht mehr in den durch europäische oder deutsche Regelwerke abgedeckten Festigkeitsbereich und bedürfen bei einer Anwendung im Bauwesen in Deutschland z. Zt. einer allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassung bzw. einer Zustimmung im Einzelfall.

Hintergrund und Eigenschaften[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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Schon vor langer Zeit wurde erkannt, dass die Betonrezeptur als Drei-Phasen-Werkstoff aus Zement, Wasser und Gesteinskörnungen an ihre Einsatzgrenzen kommt. Daher wurde schon früh versucht, durch Beimischen entsprechender Bestandteile die Betoneigenschaften positiv zu beeinflussen. Als Zwischenergebnis dieser jahrelangen Bemühungen resultiert der heutige Hochleistungsbeton als Fünf-Stoff-System, bei dem neben den altbekannten Komponenten mit Zusatzmitteln und Zusatzstoffen eine wirksamere Gestaltung der Betonparameter möglich ist. Angestrebt wird vor allem eine sehr dichte Packung der Feinstoffe unter 0,125 mm Korngröße (Zement, Mikrosilika, Quarzmehl etc.) und ein Wasser-Zement-Verhältnis von nur rund 0,20 (Normalbeton 0,40 bis 0,70).

Für den zielsicheren Einsatz ultrahochfester Betone ist gegenüber Normalbeton eine ganze Reihe baustoffspezifischer Parameter einzustellen. Äußerst komplex sind hierbei die auftretenden Wechselwirkungen der Mischungsbestandteile untereinander. Bei optimierter Zusammensetzung und unter Einhaltung spezieller Qualitätssicherungsmaßnahmen sind Druckfestigkeiten bis zu 250 N/mm² auch unter baupraktischen Bedingungen wiederholt zu erreichen. In der Literatur werden als „High-End-Wert“ häufig rund 800 N/mm² diskutiert, welches nach vorherrschender Fachmeinung aber noch weit von der Baupraxis entfernt ist.

Festigkeitssteigerungen solchen Ausmaßes wirken sich auch nachteilig aus. So wird die Sprödigkeit des an sich schon spröden Baustoffes Beton noch einmal gesteigert. Im Rahmen der meisten Anwendungen ist für UHPC somit die Zugabe von Fasern (Faserbeton), z. B. aus Stahl oder Kunststoff unerlässlich. Dadurch kann die schlaffe Bewehrung entfallen. Beispielhaft hierfür steht die Sherbrooke-Brücke in Québec/Kanada, deren Konstruktion bis auf ein einfaches Vorspannsystem vollständig auf herkömmlichen Betonstahl verzichtet. Ein deutsches Praxisbeispiel ist die im Jahr 2007 in Kassel gebaute Fuldabrücke aus UHFB, die „Gärtnerplatzbrücke“. Es handelt sich um eine 140 m lange, 5 m breite hybride Stahl-UHFB-Konstruktion mit einem Brückendeck und vorgespannten Längsträgern aus UHFB. Erstmals in der Welt wurden dabei die tragenden UHFB-Teile miteinander verklebt.

Verglichen mit Normalbeton weisen Tragstrukturen aus UHFB um 30 bis 50 % gesenkte Eigenlasten auf. Die hohe Festigkeit ermöglicht wesentlich leichtere, filigrane und dennoch hoch tragfähige und sehr dauerhafte Betonbauten, wie z. B. besonders weit gespannte Brücken, über 700 m hohe Hochhäuser oder hochbelastete Verbundstützen. UHFB ist auch als Verguss- oder Beschichtungsmaterial, für Krafteinleitungs- und -übertragungsbereiche und für die Instandsetzung stark beanspruchter Tragwerke geeignet.

Technologische Besonderheit von UHPC ist eine extrem hohe Gefügedichte, die bei optimaler Herstellung und Nachbehandlung fast keine Poren und Mikrorisse aufweist. So wurden bei wärmebehandeltem UHFB Kapillarporenanteile von nur noch 1,5 bis 1,8 Volumenprozenten erreicht, ein normalfester Beton (C 45/50) hat üblicherweise 15 Volumenprozent. Dadurch ist UHFB praktisch dicht gegen Flüssigkeiten, Gase und auch Chloride. Die auch gegenüber hochfestem Beton wesentlich verbesserte Dauerhaftigkeit ermöglicht den Einsatz von UHFB im betonaggressiven Milieu z. B. im Kanalisations- und Anlagenbau der chemischen Industrie. Eine Minimierung von Bauschäden infolge eindringender Chloride, Sulfate und anderen angreifenden Stoffen ist daher möglich.

Nachteilig wirkt sich die Gefügedichte allerdings im Brandfall aus. Hier führt sie zu oberflächlichen Abplatzungen (durch blitzartiges Entweichen des Porenwasserdampfdruckes), die allerdings durch Zugabe von Kunststofffasern (nicht Stahlfasern), die im Brandfall schmelzen und künstliche Poren bilden, vermindert werden können.

Stand im Zuge der UHFB-Entwicklung lange die Erhöhung der Druckfestigkeit im Vordergrund, so wird heutzutage mehr Wert auf die Betonkennwerte wie Elastizitätsmodul, Zugfestigkeit und Dauerhaftigkeit gelegt. Hohe Druckfestigkeiten brachten nicht nur den Vorteil von schlankeren Konstruktionen, sondern zugleich auch neue Versagensmechanismen mit sich, welche bis dato im Betonbau keine wesentliche Rolle spielten. Beispielhaft sei nur das Schwingverhalten, das Beulen und das Stabilitätsversagen schlanker Konstruktionen genannt, das bisher nur bei Stahl eine Rolle spielt.

Der Fokus bei aktuellen Forschungsarbeiten zum Thema UHFB liegt vermehrt auf der Untersuchung und Optimierung der rheologischen Eigenschaften des Betons. Gute Verarbeitbarkeit und ein ausreichendes Fließverhalten des Frischbetons sind für ein problemloses Befüllen der meist filigranen Schalungszwischenräume wichtig. Bei der Anwendung von UHFB sind deshalb überwiegend selbstverdichtende Eigenschaften gefragt. Im September 2012 hat der DAfStb hierzu die Richtlinie „Selbstverdichtender Beton“ herausgegeben[1].

Den bisher dokumentierten Entwicklungsstand stellt in erster Linie der DAfStb-Sachstandbericht „UHPC“ aus dem Jahre 2008 dar. Einen tiefgreifenden Einblick in abgeschlossene und noch bestehende Forschungsbereiche gewähren unter anderem die Kongressbände „Ultra High Performance Concrete (UHPC)“ der Universität Kassel aus den Jahren 2004 und 2008. Einen Großteil aktueller Forschungsbestrebungen stellen theoretische und empirische Ansätze zur Optimierung der Gefügedichte, zur Dauerhaftigkeit und zur stoffgerechten Bemessung und Konstruktion dar. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft hat zur weiteren Entwicklung von UHFB ein Schwerpunktprogramm eingerichtet, das von der Universität Kassel koordiniert wird. Das mit rund 9 Millionen Euro ausgestattete Programm soll dazu verhelfen, UHFB zu einer Regelbauweise des Betonbaus werden zu lassen.

Erste kommerzielle Anwendungen im Bauwesen sind im Jahre 2010 5 cm dicke und 2,90 m hohe Garderobenstelen aus allseitig weißem, unbewehrtem und faserfreiem Sichtbeton beim Bibelmuseum in Frankfurt am Main. Im Jahre 2011 wird beim Neubau der Ferchauzentrale in Gummersbach eine Geschosshohe, 4 cm dicke unbewehrte vorgehängte Fassadenplatte aus UHFB verwendet. Auf der Messe Bau 2011 in München wurde eine 29 mm dicke UHFB-Treppe gezeigt, bei der das Treppenfaltwerk zwischen zwei Glaswangen eingeklebt wurde.

Aufgrund der hohen Dämpfung ermöglichen massive Bauteile im Maschinenbau höhere Bearbeitungsgeschwindigkeiten bei gleichzeitig geringerem Werkzeugverschleiß. Die hohe Wärmeträgheit ermöglicht beim Bau von Messgeräten höhere Genauigkeiten. Derartige Bauteile müssen während der Erhärtung als auch im späteren Betrieb zuverlässig im ungerissenen Zustand bleiben. Maschinenbauteile aus UHFB entwickeln sich zu einem Ersatzprodukt von Polymerbeton sowie Granit. Sie werden von mehreren spezialisierten Herstellwerken für Maschinen im Bereich der Messtechnik, des Werkzeugmaschinenbaus und der Holzbearbeitung hergestellt.

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Monomentals: Ultra Hochfester Beton