Laufende Forschungsprojekte



Sonderforschungsbereich 837 „Interaktionsmodelle für den maschinellen Tunnelbau“

Auftraggeber: Deutsche Forschungsgemeinschaft

Laufzeit der 1. Projektphase: Juli 2010 bis Juni 2014
Laufzeit der 2. Projektphase: Juli 2014 bis Juni 2018

Teilprojekt B1 „Optimierte Tübbingsysteme für einen dauerhaften und robusten Tunnelausbau"

1. Projektphase:
Tübbinge sind einzelne im Fertigteilwerk vorgefertigte Stahlbetonelemente, die durch den Erektor der Tunnelvortriebsmaschine zu einem Ring zusammenmontiert werden. In einschaliger Bauweise bilden sie die endgültige Auskleidung. Tübbinge sind im Bau- und Endzustand einer Vielzahl von Beanspruchungen ausgesetzt. Dabei werden sie zumindest lokal des Öfteren bis an oder sogar über die Leistungsfähigkeitsgrenze beansprucht. Dabei spielen Teilflächenbelastungen und Zwangswirkungen, z.B. aus den Vortriebspressen und lokalen Pressungen bei Kantenkontakten, sowie später aus punktueller Querkraftübertragung im Topf-Nocke-Bereich, Versätzen oder Rotationen eine wesentliche Rolle. Hieraus resultierende Rissbildungen und Abplatzungen führen in der Regel zu einer erheblichen Beeinträchtigung der Dauerhaftigkeit und damit der langzeitigen Nutzung des Tunnelbaus.

Ziel des Teilprojektes B1 ist es, den Qualitätsstandard der Tübbinge unter dem Aspekt der Sicherheit, Robustheit und Dauerhaftigkeit, zunächst unter Einsatz von Stahlfaserbeton und in einem nächsten Schritt durch Entwicklung eines neuen Tübbingtypus hinsichtlich Langlebigkeit nachhaltig zu verbessern. Dabei werden interagierend numerische und experimentelle Methoden eingesetzt und das Tübbingsystem ganzheitlich auf Material-, Bauteil- und Prozessebene betrachtet und topologisch optimiert.

2. Projektphase:
Ziel des Teilprojekts in der 2. Phase ist es, hybride Tübbings in Bezug auf Materialien, Herstellung, Robustheit und dauerhafte Tragfähigkeit ganzheitlich zu optimieren. Dabei wird auf den grundsätzlichen Untersuchungen zum Fasereinsatz in Tübbings und wesentlichen Verfahrensentwicklungen zur Designoptimierung aus der 1. Förderperiode aufgebaut. Die Optimierung bezieht sich nicht nur auf Beanspruchungen aus dem Endzustand des Tunnels, sondern schließt die Verformungs- und Lastkonstellationen der Bauzustände mit ein, um Schädigungsanfälligkeiten im Bau zu reduzieren und gleichzeitig bemessungsrelevante Zulagen der Bauzustände minimal zu halten. Die in TP B1 auf optimierungsgestützten Entwurf, Robustheitsprüfung und Experimente ausgerichteten Untersuchungen geschehen eng abgestimmt mit dem TP B2, welches detaillierte numerische Simulationsrechnungen zu den einzelnen Teilschritten durchführt.




Teilprojekt B3 „Ringspaltmörtel – Entwicklungen unter Berücksichtigung der verschiedenen Interaktionen mit dem Gebirge und Tübbingausbau“

An Ringspaltmörtel werden i.a. gleichzeitig zwei einander entgegenlaufende Anforderungen gestellt. Zum einen wird eine lange Verarbeitbarkeitszeit und ein hohes Fließvermögen verlangt, um den Ringspalt vollständig ausfüllen zu können, zum anderen wird jedoch erwartet, dass der Mörtel unmittelbar nach dem Verpressen eine hohe Steifigkeit/ Scherfestigkeit entwickelt. Bislang werden dazu i.a. fließfähige Einkomponentemörtel eingesetzt, die nach dem Verfüllen – durch Auspressen von Wasser in das umgebende Gebirge – eine entsprechende Steifigkeit entwickeln. In der Praxis werden die Mörtel mehr oder weniger ausnahmslos auf rein empirischer Basis festgelegt, systematische Untersuchungen zum Entwässerungsverhalten und zur Entwicklung der Steifigkeit fehlen weitgehend. Neben den Einkomponentenmörteln kommen gelegentlich auch Zwei- oder Mehrkomponentenmörtel zur Anwendung, insbesondere wenn eine Entwässerung im notwendigen Ausmaß nicht möglich ist.

1. Projektphase:
In der Förderphase I wurden zunächst praxisübliche Einkomponentenmörtel hinsichtlich ihres Entwässerungsverhaltens, einschl. der Feinstteilumlagerungen im Mörtel („innerer Filterkuchen“), und ihrer damit einhergehenden Scherfestigkeitsentwicklung systematisch untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass mit größerer Feinheit der Feinststoffe die Filtratwasserabgabe abnahm, bedingt durch die Granulometrie und damit verbunden das höhere physikalische Wasserbindevermögen. Nach Beendigung der Entwässerungsversuche wurden auch an diesen Mörteln höhere Scherfestigkeiten ermittelt, was auf den physikalischen Füllereffekt dieser Feinststoffe und damit einhergehend die höhere Packungsdichte zurückzuführen war.

2. Projektphase:
In der Fortsetzungsphase II sollen die folgenden drei wesentlichen Teilziele verfolgt werden:
- Ausbildung eines „äußeren Filterkuchens“ im anstehenden Gebirge durch Feinstteilinfiltration
- Entwicklung von Mehrkomponentenmörteln mit neuartigen bzw. modifizierten Bindemittelsystemen
- Entwicklung von RSM mit dem Gebirgsdruck angepasster Steifigkeit/ Stauchungsfähigkeit





Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR)



Forschergruppe "Alkali-Kieselsäure-Reaktionen in Betonbauteilen bei gleichzeitiger zyklischer Beanspruchung und externer Alkalizufuhr"

Auftraggeber: Deutsche Forschungsgemeinschaft

Projektlaufzeit:
1. Förderperiode: April 2012 bis März 2015
2. Förderperiode: April 2015 bis März 2018


Schädigungen im Beton sind seit Jahrzehnten bekannt. In umfangreichen bisherigen Untersuchungen bezüglich einer schädigenden Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) im Beton wurde überwiegend der Fall einer sog. internen Alkalizufuhr betrachtet, bei der die Alkalien ausschließlich über die Betonausgangsstoffe von Haus aus in den Beton gelangten. In bestimmten Fällen kommen im Laufe der Nutzung aber auch weitere Alkalien von außen hinzu, die die AKR u.U. sogar stärker beeinflussen können als die internen Alkalien. Typische Fälle hierfür sind Bauwerke mit Meerwassereinwirkung und Verkehrsflächen, auf die alkalihaltige Taumittel aufgebracht werden. Bei Letzteren kommen noch zusätzliche zyklische Verkehrsbeanspruchungen und Frost-Taumitteleffekte hinzu, durch die sich zum einen im Betongefü-ge Mikrostörungen einstellen können (Degradation), die das Eindringen der alkalihaltigen Medien in größere Tiefen begünstigen, zum anderen der Eindringvorgang durch Einwalken noch intensiviert wird.

Mit den in dieser Forschergruppe erzielten Ergebnissen soll primär das Verständnis der maßgebenden Mechanismen vor und während einer AKR unter den zugrunde gelegten kombinierten Einwirkungen verbessert werden. Darauf aufbauend können die derzeitigen Unsicherheiten im gesamten Betonbau hinsichtlich AKR entschärft und entsprechende Handwerkszeuge (Modelle) bereitgestellt werden. Letztendliches Ziel ist es, daraus abgesicherte Regelungen für die Auswahl von Betonausgangsstoffen, die Festlegung von Betonzusammensetzungen, die Dimensionierung von Bauteilen, sowie besondere, einfach umzusetzende Maßnahmen während der Nutzung abzuleiten.




Robuste Betone



Beurteilung der Sedimentationsstabilität von Frischbeton

Auftraggeber: Deutscher Ausschuss für Stahlbeton (DAfStb)

Projektlaufzeit: Juli 2017 bis Juni 2018

Neben etablierten Prüfverfahren, wie z.B. die Bestimmung der Konsistenz, ist die Sedimentationsstabilität ein weiteres maßgebendes Kriterium zur Beurteilung der Robustheit von Beton. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es, in Anlehnung an die in der DAfStb-Richtlinie „Selbstverdichtender Beton“ beschriebenen Prüfverfahren, sowohl die Sedimentationsneigung von Rüttelbetonen zu beurteilen als auch eine Versuchsanweisung zur Prüfung der Sedimentationsstabilität von plastischem bis fließfähigem Frischbeton zu erstellen, welche bisher nicht existiert. Durch die Variation von Leimgehalt und Konsistenz werden zunächst robuste und zur Entmischung neigende Betone hergestellt. In anschließenden Verdichtungsversuchen werden über unterschiedliche Rütteldauern in Verbindung mit verschiedenen Frequenzen bei gleichbleibender Amplitude Kombinationen ermittelt, die bei diesen Betonen zu Entmischungserscheinungen führen. Mittels Sedimentationsrohr und Auswaschversuch wird die Sedimentationsstabilität der Betone überprüft. Begleitend ausgeführte Versuche charakterisieren den Frischbeton weiter (Ausbreitmaß, Luftgehalt, Blutneigung und Wassergehalt). An Betonen, die als kritisch identifiziert werden können, erfolgen zur Abschätzung der Prüfstreuungen Wiederholungsversuche sowie eine Einschätzung der Robustheit hinsichtlich der Sedimentationsstabilität durch Überdosierung von Zugabewasser und Zusatzmitteln (Fließmittel, Luftporenbildner). Im Anschluss werden die gewonnenen Erkenntnisse auf die Bauteilebene übertragen. Dazu wird die visuelle Beurteilung der Sedimentationsstabilität an Schnittflächen von Wandbauteilen Prüfungen mit dem Sedimentationsrohr gegenübergestellt, um eine Vergleichbarkeit der Versuche einzuschätzen. Abschließend erfolgen die Erstellung der Versuchsanweisung zur Prüfung der Sedimentations-stabilität von Frischbeton und die Erarbeitung eines weitergehenden Versuchskonzepts (Baustellenversuche).




Sonderbetone



Schwerpunktprogramm 2020 „Zyklische Schädigungsprozesse in Hochleitungsbetonen im Experimental-Virtual-Lab“

Teilvorhaben: „Wirkung von Mikrofasern auf die Degradation in Hochleistungsbeton unter zyklischer Beanspruchung“

Auftraggeber: Deutsche Forschungsgemeinschaft

Projektlaufzeit:
1. Förderperiode: Juli 2017 bis Juli 2020


Ziel des Forschungsprojektes ist es, das Potential von Mikrofasern auf die Degradation in Hochleistungsbeton unter zyklischer Beanspruchung hinsichtlich einer Mikrorissbreitenbegrenzung zu beurteilen. Dabei ist insbesondere zu klären, in welchem Stadium des Schädigungsprozesses die Mikrofasern ihre Wirkung entfalten. Des Weiteren ist zu untersuchen, ob bei hochzyklischer Druckbeanspruchung primär eine Zunahme der Anzahl der Mikrorisse stattfindet oder sich bereits entstandene Mikrorisse kontinuierlich ausbreiten. Mit dem Fokus auf die zyklisch induzierten Schädigungsprozesse soll auch untersucht werden, inwieweit die Mikrorissbildung und -entwicklung im Beton durch die Gesteinskörnung und im Zementstein durch dessen Homogenität (Kapillarporen, Mikroluftporen) beeinflusst werden. Die Schädigungsprozesse werden sowohl in einschlägigen Laboruntersuchungen experimentell erfasst als auch durch gefügeorientierte numerische Modelle – im Experimental-Virtual-Lab - beschrieben, um die Mikrorissbildung sowie die Schädigungsakkumulation im Zuge zyklischer Beanspruchung abzubilden.




Carbon Concrete Composite – C³: Brückenkappen mit Carbonbewehrung

Teilvorhaben: Überprüfung des Verbundverhaltens am Verbundkörper

Auftraggeber:Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)

Fördermaßnahme: Unternehmen Region - Die BMBF-Innovationsinitiative für die Neuen Länder

Förderbereich: Wachstumskerne, WK Potential, ZIK, InnoProfile, zwanzig20

Projektlaufzeit: März 2017 bis August 2018

Brückenkappen aus Beton müssen während ihrer gesamten Nutzungsdauer zum einen dem Schutz der Brückentragkonstruktion dienen und zum anderen dem Anprall von Fahrzeugen standhalten. Gleichzeitig sind diese Bauteile massiven Frost- und Taumitteleinwirkungen ausgesetzt. Brückenkappen werden über lange Strecken fugenlos eingebaut. Dabei werden an die Konstruktion und insbesondere an den Beton zwei einander nahezu entgegenlaufende Anforderungen gestellt, die bislang nur annähernd, oftmals unzulänglich bedient werden können.

In den langgestreckten Bauteilen bauen sich durch Behinderung von hygrischen und thermischen Verformungen Zwangsspannungen auf, die über kurz oder lang unabdingbar zur Rissbildung führen. Zur Beschränkung der Rissbreite wird eine klassische Stahlbewehrung eingebaut, die möglichst nah an der Betonoberfläche angeordnet werden sollte. Unter Einhaltung der notwendigen Betondeckung und der vergleichsweise geringen Querschnittsabmessungen der Brückenkappen ist die Bewehrung nicht beliebig erweiterbar. Um mit der einbaubaren Bewehrung die Rissbreiten dennoch ausreichend klein halten zu können, wird in dem derzeit dafür relevanten Regelwerk (ZTV-ING) vorgegeben, dass – entgegen der DIN 1045-2 – der Beton für Kappen lediglich einer Festigkeitsklasse C 25/30 entsprechen darf. Damit wird angestrebt, dass beim Reißen des Betons eine vergleichsweise geringe Zwangskraft freigesetzt wird, die von der Bewehrung abgefangen werden muss; es stellen sich folglich viele kleine Risse ein.

Hinsichtlich der im Winter massiven Frost- und Taumittelbeanspruchungen ist für den Beton neben einem wirksamen Mikroluftporensystem ein entsprechend niedriger Wasserzementwert notwendig. Bei Brückenkappen wird in der Regel der nach DIN 1045-2 maximal zulässige w/z-Wert von 0,50 angestrebt, um die Betonfestigkeit aus den o. g. Gründen nicht zu sehr anwachsen zu lassen. Aufgrund dieses „grenzwertigen“ Vorgehens kommt es bei Brückenkappen in der Praxis immer wieder zu Frostabwitterungen in der Betonoberfläche. Diese wären mit niedrigerem w/z-Wert vermeidbar, was aber mit einem Festigkeitsanstieg und damit höherer Zwangskraft, die durch die Bewehrung abzufangen wäre, einherginge. Dieser Spagat könnte mit einer Carbonbewehrung signifikant entschärft werden.

Die Arbeiten in diesem Teilvorhaben beschäftigten sich maßgeblich mit der Optimierung des Kappenbetons und des Verbundes zwischen Kappenbeton und Carbonbewehrung. Zusammen mit dem Teilvorhaben der TU Dresden trägt dieses Teilvorhaben dazu bei, die Eignung von Carbonbeton auch für weitere Anwendungen in der Instandsetzung geschädigter Betonbauteile nachzuweisen. Besonders von Interesse ist bei diesem Vorhaben daher, ob sich durch den Einsatz von Carbonbewehrung die Rissbreiten so effektiv begrenzen lassen, dass eine Absenkung des Wasserzementwertes – und damit die Verbesserung des Frost-Taumittelwiderstandes – ermöglicht wird.

Carbon Concrete Composite – C³: Carbonbeton zur fugenlosen Instandsetzung geschädigter Betonfahrbahndecken

Teilvorhaben: Verbundverhalten unter Ermüdungsbeanspruchung

Auftraggeber:Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)

Fördermaßnahme: Unternehmen Region - Die BMBF-Innovationsinitiative für die Neuen Länder

Förderbereich: Wachstumskerne, WK Potential, ZIK, InnoProfile, zwanzig20

Projektlaufzeit: März 2017 bis Februar 2019

Betonfahrbahndecken werden i. d. R. unbewehrt ausgeführt und mit Gleitschalungsfertigern als linienförmige Bauteile hergestellt. Die Betondecke kann aus einem Beton (einschichtig) oder zwei verschiedenen Betonen (zweischichtig) bestehen. Der Oberbeton wird besonders stark beansprucht, da er neben mechanischen Beanspruchungen aus Verkehr auch verstärkt thermischen und hygrischen Zwangsbeanspruchungen widerstehen muss. Dementsprechend werden hohe Anforderungen an die Dauerhaftigkeit von Fahrbahndeckenbetonen gestellt, wobei neben der Tragfähigkeit auch die Oberflächeneigenschaften bezüglich Griffigkeit und Lärmminderung dauerhaft gewährleistet werden müssen. Damit sich infolge von behinderten Temperatur- und Schwindverformungen keine wilden Risse ausbilden, werden in Längs- und Querrichtung Scheinfugen in den jungen Beton eingeschnitten. Diese wirken als Sollbruchstellen, in denen sich Risse lokal fixiert einstellen. Zur Querkraftübertragung werden bereits bei der Betonherstellung im Gleitschalungsfertiger Dübel im Bereich der späteren Querfugen platziert; in den Längsfugen werden Anker angeordnet, die ein „Abwandern“ einzelner Plattenstreifen verhindern.

Die Fugen müssen abgedichtet werden, um ein Eindringen von Wasser in den Unterbau zu verhindern und stellen eine maßgebliche Schwachstelle der unbewehrten Bauweise dar. Sie erfordern eine kontinuierliche Wartung und Instandhaltung, was hohe Unterhaltungskosten und Verkehrsbeeinträchtigungen mit sich bringt. Neben diesen Aspekten bei der Instandhaltung erweisen sich Fugen auch bei der Instandsetzung / Erneuerung von geschädigten Betonfahrbahndecken als kritisch. Bei gleichmäßigen Temperatur- und Feuchteänderungen schließen bzw. öffnen sich die Fugen, infolge von Temperatur- und Feuchtegradienten wölben sich die Fahrbahnplatten und damit auch die Plattenränder. Vor diesem Hintergrund müssen Betonfahrbahndecken im Regelfall grundhaft erneuert werden, selbst dann, wenn der Fahrbahnbeton nur oberflächlich geschädigt ist. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn Griffigkeits- oder Ebenheitsprobleme vorliegen, eine Waschbetontextur zur Lärmminderung aufgebracht werden soll oder der Beton großflächige Brandschäden aufweist.

Zweckmäßig wäre daher ein Instandsetzungsverfahren, mit dem eine neue, fugenlose Betondeckschicht auf den alten, mit Fugen durchsetzten Unterbeton aufgebracht werden könnte. Zwar haben fugenlose Betonfahrbahndecken mit durchgehender Längsbewehrung (DBB) in mehreren Praxisversuchen ein gutes Gebrauchsverhalten gezeigt, ein adaptiver Einsatz für dünnschichtige Instandsetzungen von nur rd. 3 bis 7 cm Stärke, wie sie hier angestrebt werden, lässt sich so aber allein aus Korrosionsschutzgründen nicht realisieren. In der Regel werden solche DBB’s mit einer Dicke von 22 cm ausgeführt, wobei die Längsbewehrung aus Korrosionsschutzgründen in Deckenmitte – also mit einer Betonüberdeckung von rund 10 cm angeordnet wird. Damit kann die Stahlbewehrung zwar Zwangsspannungen aus gleichmäßigen Temperaturänderungen abtragen, zum Abtrag von Biegebeanspruchungen ist die mittig eingelegte Stahlbewehrung jedoch wenig geeignet.
Wesentlich vorteilhafter verhält sich hier eine Carbonbewehrung aufgrund der Korrosionsbeständigkeit und vergleichsweise hohen (Zug-)Tragfähigkeit des Materials. Die Ausführung einer dünnen, fugenlosen Instandsetzungsschicht erscheint hierbei möglich. Dabei muss die schadhafte Betondecke zunächst abgetragen werden. Die verbleibende gefräste
Beton-Unterlage dient als Tragschicht. Als maßgebend für den Erfolg einer solchen Instandsetzungsmethode kann im Wesentlichen ein ausreichender und dauerhafter Verbund zwischen Alt- und Neubeton und eine wirksame Rissbreitenbeschränkung durch den Einsatz der Carbonbewehrung angesehen werden.





Materialermüdung von On- und Offshore Windenergieanlagen aus Stahlbeton und Spannbeton unter hochzyklischer Beanspruchung

Teilvorhaben: Ermüdung von hochfestem Stahlfaserbeton unter hochzyklischer Beanspruchung

Auftraggeber: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)

Fördermaßnahme: Anwendungsorientierte nichtnukleare FuE im 6. Energieforschungsprogramm der Bundesregierung

Projektlaufzeit: November 2016 bis Oktober 2019

Bei der Gründung von Windkraftanlagen treten im Verankerungsbereich neben Druckkräften auch Zugkräfte auf, die durch eine entsprechende Bewehrung aufgenommen werden müssen. Hierzu wären beispielsweise Stahlfasern geeignet, die das Verhalten von Beton unter Zugbeanspruchung verbessern können. Dies verspricht gerade bei hochfesten und ultrahochfesten Betonen eine Verbesserung der Duktilität, wodurch das spröde Bruchverhalten dieser Betone abgefangen werden könnte. Zum Ermüdungsverhalten normalfester, unbewehrter Betone im Bereich hoher Lastzyklenzahlen (100.000 < N < 1.000.000) liegen aus zahlreichen Untersuchungen Erkenntnisse sowohl im Druck- als auch im Zug- und Biegeschwellbereich vor. Der Bereich sehr hoher Lastwechselzahlen (N > 10.000.000) hingegen ist weitgehend unerforscht. Somit fehlen auch Kenntnisse darüber, ob sich bei Betonen unter Ermüdungsbeanspruchung eine Dauerfestigkeit einstellt. Zum Verhalten hochfester / ultrahochfester Betone sowie von Stahlfaserbetonen unter zyklischer Beanspruchung gibt es bisher ebenfalls nur vereinzelte Studien, erst recht liegen zu hochfesten Stahlfaserbetonen noch weniger Untersuchungen vor.

Ein wesentlicher Unterschied von (ultra-)hochfesten Betonen gegenüber normalfesten Betonen ist deren wesentlich spröderes Materialverhalten bzw. die deutlich geringere Duktilität. Dies kann u.U. bei fortschreitender Schwellbeanspruchung zu einem schlagartigen Versagen des hochfesten Betons führen. Die Duktilität bzw. das Nachbruchverhalten eines Betons kann durch Zugabe von Stahlfasern deutlich verbessert werden. Wie sich dies jedoch bei hochfesten und ultrahochfesten Betonen abbildet, ist bislang nicht bekannt; die wenigen bisher in der Literatur dokumentierten Untersuchungen zeigen hierzu kein eindeutiges Bild.

In diesem Teilvorhaben soll daher erfasst werden, inwieweit das Ermüdungsverhalten von hochfesten Betonen im Bereich sehr hoher Lastwechselzahlen durch die Zugabe von Stahlfasern beeinflusst bzw. verbessert werden kann. Dabei werden auch die Auswirkungen der Fasergeometrie, des l/d-Verhältnisses, des Fasergehaltes sowie der Stahlfestigkeit berücksichtigt, da diese einen maßgeblichen Einfluss auf das Langzeitverhalten haben können.


Herstellung von Dränbetonpfählen als dränierende Elemente von Verbauwänden

Auftraggeber: Bundesanstalt für Wasserbau (BAW)

Projektlaufzeit: Oktober 2015 bis März 2017

Die Herstellung von einzelnen Bohrpfählen aus dränagefähigem Beton innerhalb von überschnittenen Bohrpfahlwänden kann im Einzelfall geeignet sein, um den Aufbau eines Wasserdrucks hinter der Wand zu verhindern und so die gesamte Verbaukonstruktion wirtschaftlicher auszuführen. Ziel dieses durch die Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) geförderten Forschungsvorhabens, das der Lehrstuhl für Baustofftechnik gemeinsam mit dem Lehr- und Forschungsgebiet Geotechnik der Bergischen Universität Wuppertal bearbeitet, ist es, eine geeignete Vorgehensweise aus geotechnischer, bauverfahrenstechnischer und baustofflicher Sicht zu erarbeiten, um Möglichkeiten und Grenzen einer zielsicheren Herstellung von Dränbetonbohrpfählen als dränierende Elemente von Verbauwänden aufzuzeigen.
In den Laboruntersuchungen an der RUB sollen geeignete Betonzusammensetzungen für eine erste Erprobung in situ aufbereitet werden. Hierbei werden in den Labor- und Prüfeinrichtungen der RUB ausgewählte Materialzusammensetzungen in Bezug auf ihre Eigenschaften untersucht und analysiert. Es gilt die Zusammensetzungen hinsichtlich einer adäquaten Verarbeitung und der notwendigen Eigenschaften wie z.B. der Druckfestigkeit oder Wasserdurchlässigkeit zu optimieren. Neben der Bestimmung von klassischen Eigenschaften ist vor allem die Ermittlung des Erosionswiderstands des Zementleims von großer Bedeutung, um einen sicheren Einbau auch beim Kontakt mit (Grund-) Wasser gewährleisten zu können.


Verbundvorhaben: Concrete Solar Collector – Prototypenentwicklung und Bau eines Parabolrinnenkollektors aus Beton

Teilvorhaben: Optimierungsgestützter Entwurf von Betonschalen für Parabolrinnenkollektoren unter Dauerhaftigkeitsaspekten

Auftraggeber: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie

Projektlaufzeit: Dezember 2015 bis November 2017

Parabolrinnenkollektoren sind die bisher kommerziell erfolgreichste Technologie für solarthermische Kraftwerke. Den Stand der Technik repräsentieren die in Spanien errichteten Anlagen vom Typ ANDASOL mit einer Leistung von 50 MWe und integriertem Wärmespeicher für rund 8 Volllaststunden. Aktuelle Entwicklungen der Wirtschaftlichkeit setzen vor allem auf Skaleneffekte, d.h. Vergrößerung der Kollektorapertur und der Gesamtanlage. Die Potenziale für weitere Wirkungsgradsteigerungen von Schlüsselkomponenten sind bereits weitgehend ausgereizt. Ziel der Komponentenentwicklung muss daher die Kostensenkung bei Materialeinsatz, Fertigung, Transport und Montage sein, ohne jedoch das Leistungsvermögen zu beeinträchtigen.

Durch den Wechsel zu Beton als Strukturmaterial für den Konzentrator können deutliche Kostensenkungspotenziale erschlossen werden. Dabei wird auf bewehrte Lösungen aus der Beton-Fertigteilbranche zurückgegriffen. Eine besondere Herausforderung stellt die präzise, dauerhafte und fertigungsfreundliche Verspiegelung der hochgenauen Betonschalen dar. Im Rahmen des Vorhabens werden material- und fertigungstechnische Grundlagen erarbeitet und ein Demonstratormodul einer ersten Generation mit einer Aperturweite von rund 6 m zum Nachweis der Erreichbarkeit der Präzisions- und Kostenziele erstellt.




Straßenbeton



Reduzierung der Schwindverformungen des Straßenbetons durch den Einsatz neuartiger Schwindreduzierer

Auftraggeber: Bundesanstalt für Straßenwesen

Projektlaufzeit: Februar 2015 bis Februar 2017

Fahrbahndecken aus Beton werden auch durch lastunabhängige Einwirkungen beansprucht. Hierzu zählen neben den thermischen Verformungen vor allem Schwindverformungen. Überschreiten diese Zwangsspannungen die Zugfestigkeit des Betons, kann es zu einer Rissbildung kommen. Um dieser Rissbildung entgegenzuwirken, werden in Betonfahrbahndecken i. d. R. in einem Abstand von rd. 5 m Fugen angeordnet, die – werden sie rechtzeitig geschnitten – die Zwangsspannungen wirksam reduzieren. Allerdings bedürfen Fugen während der Nutzung einer Wartung. Neben dem Anordnen von Fugen könnten Schwindspannungen durch Schwindreduzierer verringert werden. Diesbezüglich werden seit einiger Zeit neuartige Produkte angeboten. Orientierende Studien haben gezeigt, dass sich die Schwindverformungen bei Einsatz dieser Schwindreduzierer z. T. erheblich verringern können. Jedoch sind bis zum jetzigen Zeitpunkt weder die tatsächliche Wirkungsweise der Schwindreduzierer noch deren Zusammensetzung, Langzeitverhalten sowie Auswirkungen auf andere Betoneigenschaften genauer untersucht worden.

Ziel des Forschungsprojekts ist es, die Wirkungsweise dieser Schwindreduzierer zu untersuchen. Dabei wird vor allem ein Augenmerk auf die sich ergebenden Änderungen in den Werkstoffkennwerten, wie z. B. Druckfestigkeit, Biegezugfestigkeit und E-Modul, gelegt. Ferner wird geprüft, inwieweit der Frost-Taumittel-Widerstand durch den Einsatz dieser Schwindreduzierer negativ beeinflusst wird.



Bestimmung von Kenndaten zur sicheren Charakterisierung von Fugenvergussmassen

Auftraggeber: Bundesanstalt für Straßenwesen

Projektlaufzeit: Juni 2014 bis Juni 2018

Fugenabdichtungen verhindern das Eindringen von Oberflächenwasser und Feststoffen in den Fugenspalt. Die Dauerhaftigkeit der Fugensysteme ist entscheidend für die Lebenszykluskosten einer Fahrbahndecke aus Beton. In den letzten Jahren wurden vermehrt Schäden an Systemen mit vor allem heiß-verarbeiteten Fugenmassen festgestellt. Insbesondere Ablösungen von den Fugenflanken, wie auch ein Reißen der Vergussmasse selbst, wurden dabei beobachtet. Diese traten sowohl bei gealterten, als auch bei neuen Fugenmassen auf.

Mit diesem Forschungsvorhaben sollen die maßgebenden Ursachen für derartige Schäden in den Fugen eruiert werden. Ferner soll aus den gewonnenen Erkenntnissen ein Prüfverfahren entwickelt werden, mit dem ein Fugenfüllsystem ganzheitlich unter Berücksichtigung der maßgebenden Einwirkungen bewertet werden kann. Die Betonbauweise wird dadurch als wirtschaftliche und dauerhafte Bauweise von Verkehrsflächen gestärkt.



Futurum - Baustoff Straßenbeton

Auftraggeber: Bundesanstalt für Straßenwesen

Projektlaufzeit: Juli 2012 bis Juni 2017

Fahrbahndecken aus Beton zeichnen sich durch eine sehr hohe Verformungsbeständigkeit aus und werden vor allem in Bereichen mit sehr hoher Verkehrsbelastung eingesetzt. In den letzten Jahrzehnten wurde die Bauweise hinsichtlich Konstruktion, Betontechnologie und Einbautechnik ständig weiterentwickelt, so dass diese den stetig wachsenden Anforderungen (z. B. zunehmende Verkehrbelastung) sehr gut gerecht wurde. Die Entwicklungen der letzten Jahre und laufende Forschungsarbeiten, z. B. auf den Gebieten der durchgehend bewehrten Betonfahrbahn und/oder des Faserbetons zeigen, dass Fahrbahndecken aus Beton noch ein deutliches Potenzial in Bezug auf eine Verlängerung der belastungsorientierten Nutzungsdauer besitzen.
Ein in den letzten Jahrzehnten nicht zufriedenstellend gelöstes Problem ist die schädigende Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) im Bereich des Betonbaues. Vor allem in den 70er und 80er Jahren wurden sehr umfangreiche Forschungsarbeiten auf diesem Gebiet mit dem Ergebnis durchgeführt, dass die chemische Reaktion zur Bildung des Alkalisilikatgels beschrieben werden konnte. Auf Grund mehrerer AKR-Schäden auf deutschen BAB Anfang der 2000er Jahre wurden aufbauend auf diesen Erkenntnissen sowie weiteren Forschungsarbeiten Anforderungen u. a. an die zu verwendenden Gesteine und Zemente im Betonstraßenbau formuliert, die das Auftreten einer AKR verhindern sollten.
Um den Baustoff Beton, der auf Grund seiner Nachhaltigkeit einen wichtigen Baustoff für die Zukunft darstellt, künftig sicher anwenden zu können, ist eine Klärung der aufgeführten Schadensproblematik von größter Bedeutung. Diese Untersuchungen stellen auch die Grundvoraussetzung für die Weiterentwicklung des Baustoffes Beton im Straßenbau (z. B. durchgehend bewehrte Betonfahrbahn, Faserbeton, offenporiger Beton) dar. Im Hinblick auf die wachsenden Festigkeitsanforderungen bei Leistungs- bzw. Funktionsbetonen und angesichts der sehr hohen Betondichte sowie dem sehr hohen Zementanteil ist damit zu rechnen, dass bei Alkalizufuhr von außen in Kombination mit Frost die bisher getroffenen Festlegungen nicht greifen. Aus fachtechnischer Sicht ist zugleich davon auszugehen, dass bei Strecken aus Waschbeton, der einen deutlich höheren Zementgehalt (≥ 420 kg/m³) im Vergleich zum herkömmlichen Beton (Zementgehalt 340 kg/m³) besitzt, ein größeres Potenzial für die Entstehung einer schädigenden AKR besteht.

Das Projekt behandelt daher in Kooperation mit dem F.A. Finger-Institut für Baustoffkunde der Bauhaus-Universität Weimar sowie dem Fachbereich 7.1 Baustoffe der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) die "Festlegung von Anforderungen zur dauerhaften Vermeidung einer schädigenden AKR und zur Erhöhung der Nachhaltigkeit für die Betonbauweise durch gezielte Grundlagenforschung".




Dauerhaftigkeit



"Optimierung des Säurewiderstands von hüttensandreichem Beton"

Auftraggeber: Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen "Otto von Guericke" e.V. (AiF)

Projektlaufzeit: Dezember 2015 bis Mai 2018


In der Regel bestehen chemisch hoch beanspruchte Bauwerke, wie z.B. abwassertechnische Anlagen, Kühlturmschalen oder Auffangwannen, aus Beton, da viele Eigenschaften dieses Baustoffes hierfür zunächst einmal vorteilhaft sind. Einen erheblichen Nachteil stellt allerdings die nur bedingte Widerstandsfähigkeit von Beton, insbesondere von Portlandzementbeton, gegenüber Säureangriffen dar. Auch wenn ein „säureresistenter“ Beton mit bekannten Systemen nicht herstellbar ist, so würde eine „erhöhte Widerstandsfähigkeit gegen Säureangriffe“ wesentliche technische und ökonomische Vorteile bieten:. Es ist grundsätzlich bekannt, dass Betone, die unter Verwendung von Hüttensand hergestellt werden, bzgl. ihres Widerstandes gegen Säureangriff Vorteile bieten: Zu nennen sind insbesondere der geringere Calciumhydroxidgehalt (= höherer chemischer Widerstand des Zementsteins) und die bei konstantem w/z-Wert geringere Kapillarporosität (= höherer physikalischer Widerstand).

Bisher angewandte Konzepte zur Verbesserung des Widerstandes gegenüber Säureangriff basieren i.d.R. auf dem Einsatz kornabgestufter Flugaschen und allenfalls einzelnen Hüttensanden. Die Optimierung des Säurewiderstandes durch den Einsatz unterschiedlicher, kornabgestufter Hüttensande findet bisher keine Anwendung. Alternative Konzepte sind entweder schadensanfällig, haben nur eine begrenzte Lebensdauer und erfordern eine kosten- bzw. zeitintensive Ausführung (Bspw. Beschichtungen) oder sind sehr teuer (dünne Borosilikatglasverkleidungen). Das ökonomische Ziel des Forschungsvorhabens ist daher eine gegenüber dem derzeitigen Stand der Technik wirtschaftliche und technische Optimierung von Betonbauwerken durch einen signifikant erhöhten Säurewiderstand.



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