Ultrahochfester Beton

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Ultrahochleistungsbeton (englisch Ultra High Performance Concrete, gebräuchliche Abkürzung UHPC) oder Ultrahochfester Beton (UHFB) ist eine Betonsorte, die sich durch besonders hohe Dichtigkeit und Festigkeit auszeichnet. Eine übliche, aber nicht allgemein anerkannte Abgrenzung zu Normalbetonen ist eine Druckfestigkeit von über 150 N/mm² sowie ein w/z-Wert < 0,25.

Bestandteile und Herstellprinzipien[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Mucem Museum in Marseille mit durchbrochenen Dach und Wandfassaden aus Ductal
Gärtnerplatzbrücke in Kassel, erste UHPC-Konstruktion in Deutschland

Der wichtigste Bestandteil von Beton ist die Zementsteinmatrix, welche im Wesentlichen aus dem Bindemittel Zement und Wasser hergestellt wird. Der Zementleim umhüllt die Zuschläge wie z.B. natürliche Gesteinskörnungen und verklebt diese miteinander. Je dichter und porenfreier die Zementsteinmatrix ist, desto dichter, fester und beständiger wird der Beton.

Meist wird ein Bindemittelgemisch aus Portlandzement, Hüttensand oder Flugasche verwendet. Die Zementsteinmatrix kann durch eine granulometrische Optimierung der Feinststoffe unter 0,063 mm Korngröße weiter verbessert werden. Zementkörner haben einen mittleren Korndurchmesser von ca. 30 bis 80 Mikrometer. Die Zugabe von deutlich kleineren und hydraulisch aktiven Stoffen mit Durchmesser im einstelligen Mikrometerbereich oder Nanometerbereich füllt die Zwickel zwischen den Zementkörnern und führt zu einer Gefügeverdichtung. Der am weitesten verbreitete Stoff ist Silikastaub, es werden aber auch Alumosilikate, Metakaolin, feinst aufgemahlene Zemente oder industriell hergestellte Nanosilika verwendet. Im Bereich von 60 bis 125 Mikrometer, also oberhalb des Zementkornes, werden gemahlene, abgestufte Gesteinsmehle verwendet, um die Sieblinie genau zu definieren, siehe hierzu auch Hochfester Beton.

Eine zweite Maßnahme ist die Reduzierung des Wassergehalts auf einen w/z-Wert von 0,3 bis 0,2 (Wasserzementwert). Dadurch wird zum einen der Wasserfilm, und somit der Abstand zwischen den Zementkörnern minimiert. Zum anderen reagieren die Zementkörner aufgrund des Wassermangels nur an der Oberfläche und ca. 70% des Zementkornes bleibt als hochfeste Gesteinskörnung erhalten. Damit der Beton dennoch fließfähig oder selbstverdichtend wird, sind hohe Mengen an Hochleistungsfließmittel auf Basis von Polycarboxylatether -PCE- erforderlich.

Mit den beiden beschriebenen Maßnahmen kann man bei Verwendung von üblichen Gesteinskörnungen wie Quarz oder Basalt Betone mit einer Zylinderdruckfestigkeit von 100 bis 150 N/mm² herstellen. Bei derartigen Probekörpern versagt der Beton nicht mehr um die Gesteinskörnungen herum, sondern der Riss geht durch diese hindurch. Weitere Steigerungen der mechanischen Kenndaten erfordern zusätzliche Maßnahmen. Zum einen können die üblichen Körnungen durch Gesteinskörnungen hoher Festigkeit und Dichte wie z.B. Korund oder andere natürliche oder industriell hergestellte Schleifstoffe ausgetauscht werden. Zum zweiten werden durch das Beimischen von Stahlfasern (bis über 3 Vol-% oder 250 kg/m³) zusätzliche hochfeste Bestandteile eingeführt (Stahlfaserbeton). Diese Stahlfasern, häufig auch als Fasercocktail, führen nicht nur zu einem duktilen Verhalten, sondern erhöhen auch die Druckfestigkeit des Betons deutlich. Bei Betonen mit Silikastaub führt als dritte Maßnahme eine thermische Nachbehandlung in der ersten Woche zu einer beschleunigten hydraulischen Reaktion der Silika mit weiterer Verbesserung mechanischer Kenndaten (Puzzolanische Reaktion).

Alternative Bezeichnungen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Garnelenzuchtbecken aus UHPC
Volksbank Krefeld mit weißen Fassadenplatten aus UHPC

Weitere Bezeichnungen für UHPC, welche Bestandteile oder isolierte Eigenschaften genauer definieren oder aus anderen Sprachräumen stammen, sind:

  • UHSC „Ultra high strength concrete“
  • UHPFRC „Ultra high performance fiber reinforced concrete“
  • DFRCC „Ductile fiber reinforced cementitious composite“
  • SHCC „Strain hardening cementitious composite“
  • ECC „Engineered cementitious composite“
  • UHP-HFRC „Ultra high performance hybrid fibre reinforced concrete“
  • HPFRCC “High performance fiber reinforced cementitious composites”
  • RPC “Reactice powder concrete”
  • UHFB „Ultra hochfester Beton“ (Deutsch)
  • UHLB „Ultra Hochleistungsbeton“ (Deutsch)
  • BFUB „Béton fibrè à ultra-hautes performances“ (Französisch)
  • BPR „Beton de Poudres Réactives“ (Französisch)

Geschichte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

In den 80er Jahren des vergangenen Jahrhunderts wurden in Japan erstmals PCE-Fließmittel entwickelt, in den 90er Jahren wurde Microsilica der Firma Elkem aus Norwegen allgemein verfügbar. Hauptantreiber der Entwicklung war der Zementhersteller Lafarge aus Frankreich mit dem Produkt Ductal. Lafarge hat am 31. August 2001 das Europäische Patent EP 1315683 „Hochfester, hochduktiler Faserbeton“ [1] angemeldet.

In Deutschland gab es ein mit 12 Millionen EUR ausgestattetes und von 2005 bis 2012 laufendes Schwerpunktprogramm SSP1182 „Nachhaltiges Bauen mit Ultra-Hochfestem Beton“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft DFG. 2008 wurde als Heft 561 des Deutschen Ausschusses für Stahlbeton DAfStb ein Sachstandsbericht [2] zur Bauweise veröffentlicht. Ein Nachfolgewerk in Form einer DAfStb-Richtlinie [3] ist in Arbeit.

In der Schweiz wurde 2016 das Merkblatt SIA 2052 „Ultra-Hochleistungs-Faserbeton (UHFB) – Baustoffe, Bemessung und Ausführung“ [4] veröffentlicht.

Frankreich ist auf dem Gebiet des UHPCs führend. 2016 wurden zwei Normen zur Bauweise veröffentlicht, welche trockene Vormischungen (Werktrockenmörtel) und Ihren Einsatz im Bauwesen regeln.

  • NF P 18-470 Bétons fibrés à ultra-hautes performances – Spécification, performance, production et conformité, AFNOR, Paris 2016 [5]
  • NF P 18-710 Calcul des structures en béton – Règles spècifiques pour les bétons fibrés à ultra-hautes performances (BFUB), AFNOR Paris, 2016 [6]

Folgende französische Norm ist in Planung und existiert nur als Entwurf -draft-: NF-P 18-451 Exécution des structures en béton – Régles spécifiques pour les BFUB (draft)

Heute bieten einige Zementhersteller spezielle Bindemittel und Rezepturen zur Herstellung von UHPC an. Da diese auf bestimmte Anwendungen und somit Charakteristika wie Druckfestigkeit, Zugfestigkeit, Duktilität, Fließverhalten, Abrieb, Dämpfung usw. optimiert sind, kann keine allgemein verbindliche Tabelle zum Materialverhalten angegeben werden.

Bauaufsichtliche Genehmigung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Garderobenstelen aus unbewehrten und faserfreien UHPC im Museum Bibelhaus in Frankfurt am Main

UHPC unterscheidet sich von den handelsüblichen Betonen (Festigkeit, Feinststoffanteile, Duktilität, usw.) und entspricht nicht den bauaufsichtlichen geregelten Betonen. Für seine Anwendung im Bauwesen in Deutschland ist eine Zustimmung im Einzelfall oder eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung erforderlich.

Anwendungen im deutschen Bauwesen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Maschinenbauteil aus UHPC
Betonoberfläche aus UHPC im Maschinenbau

Weltweit gibt es eine große Anzahl von teils spektakulären Bauwerken wie z.B. das National Museum in Qatar[7] oder das MuCEM in Marseille[8]. In Deutschland gibt es umfangreiche Konzepte und Forschungsberichte, bis auf wenige Leuchtturmprojekte wird UHPC jedoch nicht angewendet. Wesentlicher Ursache ist der hohe Preis, welcher – je nach Fasergehalt – zwischen 500,- und 1.500,- EUR pro m³ liegt und somit 5 bis 20 mal höher als bei Normalbeton ist. Eine weitere Ursache sind die bei einer bauaufsichtlichen Genehmigung zu erwartenden Prüf- und Qualitätsauflagen, welche das Produkt trotz der eindeutigen Qualitätsverbesserung unwirtschaftlich machen. Ausgeführte Objekte sind:

  • Niestetalbrücke Fuß- und Radwegbrücken[9]
  • Gärtnerplatzbrücke Kassel Fuß- und Radwegbrücke[10]
  • Radwegbogenbrücke nahe Leipzig[11]
  • Firmenzentrale Ferchau Gummersbach, Fassadenplatten für Haus 1 und 2[12]
  • Volksbank Krefeld, weiße Fassadenplatten[13]
  • Shrimpsfarm Grevesmühlen[14]
  • Ankerköpfe bei der Schleuse Iffezheim[15]

Weitere Anwendungen außerhalb des bauaufsichtlich geregelten Bereichs sind Garderobensteelen, Treppen, Möbel, Designartikel[16], Tresorbetone, Brückenertüchtigung mit dünnen Belägen sowie Spaltverfüllungen bei vertikalen Stützenstößen von Offshore-Windanlagen.

Anwendungen im Maschinenbau[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die wirtschaftlich bedeutsamste Anwendung in Deutschland ist die Substitution von epoxidharzgebundenem Polymerbeton oder Mineralguss im Maschinenbau[17]. Entscheidend in diesem Einsatzgebiet sind neben einer hohen Zugfestigkeit die Dämpfung des Werkstoffes gegenüber Schwingungen und Wärmeträgheit bei thermischen Schwankungen. Maschinenbauteile aus UHPC müssen rissefrei hergestellt werden und rissefrei bleiben. Fasern und Bewehrung wirken erst nach einer steifigkeitsverändernden Rissbildung und sind deshalb nicht hilfreich. Die Zementleimmatrix des unbewehrten UHPC muss alle auftretenden Kräfte aufnehmen können. Da die geforderten Genauigkeiten von Parallelitäten und Ebenheiten im Bereich von bis zu 5 Mikrometern über eine Bezugsfläche von mehreren Metern liegen, muss eine Verformung des Werkstoffes wie z.B. durch Schwinden sicher ausgeschlossen werden.

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Schmidt Michael, Fehling Ekkehard, Fröhlich Susanne, Thiemcke Jenny: Nachhaltiges Bauen mit Ultrahochfestem Beton, Ergebnisse des Schwerpunktprogrammes 1182 gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG). Kassel, kassel university press, 2014. Bd. Schriftenreihe Baustoffe und Massivbau Heft 22.
  • DAfStb: Ultrahochfester Beton, Sachstandbericht, Heft 561 des DAfStb, Deutscher Ausschuss für Stahlbeton e.V. -DAfStb-. Berlin, Beuth, 2008.
  • Schriftenreihe Baustoffe und Massivbau, Heft 7, UltraHigh Performance-Concrete (UHPC) 10 Jahre Forschung und Entwicklung an der Universität Kassel, 2007
  • Sagmeister Bernhard: Maschinenteile aus zementgebundenem Beton, Beuth Verlag, Berlin, 2017, ISBN 978-3-410-27186-4, E-Book 978-3-410-27187-1 Beschreibung Beuth Verlag

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. https://depatisnet.dpma.de/DepatisNet/depatisnet?action=bibdat&docid=EP000001315683B1
  2. http://www.beuth.de/de/publikation/heft-561-dafstb/107880416
  3. http://www.dafstb.de/index.html
  4. http://shop.sia.ch/normenwerk/ingenieur/sia%202052/d/D/Product
  5. https://www.boutique.afnor.org/norme/nf-p18-470/betons-betons-fibres-a-ultra-hautes-performances-specification-performance-production-et-conformite-/article/866839/fa063353
  6. https://www.boutique.afnor.org/norme/nf-p18-710/complement-national-a-l-eurocode-2-calcul-des-structures-en-beton-regles-specifiques-pour-les-betons-fibres-a-ultra-hautes-p/article/856913/fa063075
  7. http://www.qm.org.qa/en/project/national-museum-qatar
  8. http://www.mucem.org
  9. Schmidt Michael, Bunje Kai, Fehling Ekkehard, Teichmann Thomas: Brückenfamilie aus Ultra-Hochfestem Beton in Niestetal und Kassel. Beton- und Stahlbetonbau 101 (2006) 3, S.198-204
  10. Schmidt Michael, Bunje Kai, Fehling Ekkehard, Teichmann Thomas: Brückenfamilie aus Ultra-Hochfestem Beton in Niestetal und Kassel. Beton- und Stahlbetonbau 101 (2006) 3, S.198-204
  11. Mellwitz R., Richter M., Reichel M.: Ultrahochfester faserbewehrter Beton für Segmentfertigteile Betonwerk International BWI 03/2014
  12. Sagmeister Bernhard, Deuse Thomas: Betonanwendungen außerhalb des Bauwesens - Anwendungen von UHPC auf Basis eines Spezialbindemittels in Bautechnik und Maschinenbau, Betonwerk International BWI 01/2012
  13. Drössler Thomas: Innovative Application of UHPC in Germany: Ultra-High Performance Concretes for fair-faced Facades and Custom Elements with glued Connections, HiPerMat 2016, Kassel, Kassel university press
  14. Deuse Thomas, Drössler Christian, Drössler Thomas, Ritter W.: Hochleistungsbeton mit Klebeverbindung, Betonwerk International BWI 06/2014
  15. Weiher Hermann, Tritschler Christian, Glassl Michael, Hock Sebastian: Hybridanke aus UHPC-Erstanwendung bei der Verstärkung der Rheinschleuse Iffezheim mit Dauerlitzenankern, Beton- und Stahlbetonbau, Band 107, April 2012
  16. http://durcrete.de/design-mit-beton/
  17. Sagmeister Bernhard: Maschinenteile aus zementgebundenem Beton, Betonwerk International BWI 02/2017