i-SCUP - Instandsetzung – ShotCrete Ultrahigh Performance

Im Bereich der Verkehrsbauwerke (Brücken, Tunnel, Parkgaragen) wie auch im Bereich des Hochbaus ist der heutige Baubestand typischerweise 30 bis 80 Jahre alt. Viele dieser Bauwerke sind durch die chloridhaltige Exposition und Belastung in einem geschädigten Zustand. Eine Auswertung der Schäden der Stahl- und Spannbetonbrückenbauwerke im Straßennetz des Bundes zeigt, dass rund 66 % der Schäden auf chloridinduzierte Korrosion zurückzuführen sind. Es besteht aktuell ein sehr großer Bedarf an effizienten Instandsetzungs- und Verstärkungsmethoden, um den überalterten Baubestand den heutigen Anforderungen anzupassen.

Die heute etablierten Instandsetzungsmethoden sind meist mit einem großen Eingriff in die Bausubstanz verbunden, deshalb kostenintensiv und zeitaufwendig. Dies führt u.a. zu langen Sperrzeiten dringend benötigter Verkehrsinfrastruktur während der Instandsetzung. Auch sind die gebräuchlichen Abdichtungs- und Beschichtungssysteme meist nicht in der Lage, die Verkehrsbauwerke über die angestrebte (Rest-)Lebensdauer vor erneuten Schädigungen zu schützen. Durch den Einsatz des innovativen Hochleistungswerkstoffes Ultrahochfester Faserbeton (UHPC) können optimierte Instandsetzungs- und Verstärkungssysteme entwickelt werden. Der Werkstoff soll hier erstmalig als Spritzbeton (UHPC Spritzbeton) in dünnen Lagen aufgebracht zur Anwendung kommen. Hierdurch wird die Instandsetzungsmaßnahme technisch vereinfacht sowie zeitlich optimiert. Hinsichtlich der statischen Wirkung wird das hochfeste Material dort aufgebracht, wo es am effizientesten wirken kann, nämlich direkt auf den Oberflächen mit einem größtmöglichen Hebelarm. Hinsichtlich der Dauerhaftigkeit kann der hochdichte UHPC durch den hohen Elektrolytwiderstand ablaufende Korrosionsprozess auf ein unschädliches Maß reduzieren und gleichzeitig das Bauwerk dauerhaft vor dem Eindringen neuer Chloride schützen.

Das Tragverhalten des Verbundsystems wird beeinflusst durch die Interaktion des bestehenden normalfesten Betonbauteils mit der hochfesten Aufbetonschicht. Hierbei ist das Verbundverhalten und insbesondere das zeitabhängige Materialverhalten (Schwinden, Kriechen) der beiden zementösen Werkstoffe zu berücksichtigen. Bezüglich Druckspannung ergibt sich diese Erhöhung direkt aufgrund der hohen Druckfestigkeit des UHPCs. Auch eine Erhöhung der Zugfestigkeit des Bauteils wird durch die Faserwirkung erzielt. Die Verarbeitung als Spritzbeton wirkt günstig, da sich hierdurch die Fasern vorrangig oberflächenparallel ausrichten und dies die Zugfestigkeit verbessert. Für die Aufnahme großer Zugkräfte und Erzielung hoher Verformungskapazitäten ist es effizienter, zusätzliche Bewehrungselemente (Bewehrungsstahl, Spannstahl, Textilien, etc.) in das System mit einzubinden. Ebenso kann durch eine umschnürende Wirkung des steifen und mit Fasern verstärkten UHPCs die Tragfähigkeit von Stützenelementen (dreiaxialer Spannungszustand) erhöht werden.

Durch den Einsatz kurzer, dünner Stahlfasern kann eine rissverteilende Wirkung vergleichbar mit einer rissverteilenden Minimalbewehrung erzielt werden. Dies wird durch die risskreuzenden Fasern erzielt, die (als Mittelwert) eine höhere Festigkeit als die umgebende Matrixfestigkeit besitzen. Somit öffnet sich ein entstandener Riss nicht weiter, sondern es bilden sich Sekundärrisse daneben (vgl. Rissverteilung beim Stahlbeton). Der Rissabstand beträgt nur wenige Millimeter und die Rissbreite ist somit sehr gering (Größenordnung 0,02 mm im Vergleich zu 0,2 mm bei Stahlbeton). Angestrebt wird, dass die UHPC-Schicht somit in der Lage ist, schädigende Chloride dauerhaft von der Stahlbetonkonstruktion fern zu halten, auch wenn es zu (dynamischen) Bewegungen der Konstruktion und damit zu Änderungen der Breiten der Mikrorisse kommt. Bei ablaufenden Korrosionsprozessen wird durch den hohen Elektrolytwiderstand des UHPC eine signifikante Reduktion der Korrosionsgeschwindigkeit erwartet.

Im Rahmen des Projektes wird die Entwicklung einer Instandsetzungsmethode angestrebt, bei der der chloridbelastete Beton im Bauwerk verbleiben kann und die aufgebrachte UHPC-Schicht gleichzeitig die Tragfähigkeit des Bauwerks verstärkt wie auch die Dauerhaftigkeit über die geplante Restnutzungsdauer sicherstellt.

Die Besonderheit dieses Forschungsansatzes ist die enge Verzahnung der bemessungstechnischen / tragfähigkeitsrelevanten Fragestellungen mit den baustoffspezifischen und damit dauerhaftigkeitsrelevanten Besonderheiten. Hierdurch werden die exzellenten Eigenschaften im Bereich Tragfähigkeit und Dauerhaftigkeit des UHPC optimal genutzt und der Werkstoff wirtschaftlich effizient eingesetzt. Aus diesem Grund werden auch zwei wissenschaftliche MitarbeiterInnen beantragt, für deren kooperative Promotionen sich drei Universitäten zur Zusammenarbeit bereit erklärt haben.