Ingenieurbauwerke im Tiefbau mit neuen Herausforderungen

Ein Beispiel dafür ist der hochsulfatbeständige, C3A freie Portlandzement Sulfadur^® CEM I 42,5 R – HS / NA. Vor rund 60 Jahren begann die Entwicklung im heutigen Werk Lengerich der Dyckerhoff AG. Seitdem sind zahlreiche hoch beanspruchte Bauwerke mit diesem Spezialzement erfolgreich ausgeführt worden. Besondere Betonrezepturen, abgestimmt auf hohen Widerstand gegen sauren Angriff und gute Verarbeitbarkeit, lassen in Verbindung mit einem engen Qualitätssicherungssystem besonders widerstandsfähige Betone entstehen.

Dyckerhoff stellt seit mehr als 15 Jahren so genannte Feinstzemente nach einem patentierten Verfahren her. Dabei werden zwei Hauptbestandteile, nämlich spezielle Portlandzementklinker und ausgewählte Hüttensande, separat gesichtet und anschließend in Pulvermischern nach vorgegebenen Rezepturen zu Feinstbindemitteln Mikrodur® aufbereitet. Hier entstand der Name der Mikrodur-Technologie, der jetzt auch die neue Konzeption der Premium - Zemente beschreibt.

Basis ist hochwertiger Normzement wie CEM I 52,5 R aus dem Werk Geseke der Dyckerhoff AG, der durch granulometrische und Sulfatoptimierung gezielt in seinem Eigenschaftsbild eingestellt wird. Zum Einsatz kommen sowohl fein gesichtete Mehle aus Portlandzementklinkern bzw. Hüttensanden, aber auch fertig ausgesteuerte Mikrodur Feinstbindemittel. Erreicht wird auf diese Weise eine Zwickelfüllung im Feinstbereich aus ureigensten Zementbestandteilen.

Die hydraulische Reaktion läuft dabei zeitgleich mit der des Basiszementes ab und bildet so eine sehr gleichmäßige dichte Zementsteinmatrix.

Bei Einsatz von Microsilica läuft in den ersten 6-8 Stunden die Zementreaktion größtenteils allein ab, bevor freigesetztes Calciumhydroxid das zum überwiegenden Teil aus Siliciumdioxid bestehende Microsilica zur Bildung zusätzlicher Calcium-Silicat-Hydrate anregt, die dann nur noch freie Hohlräume füllen. Wenn die dichte Packung vollständig nur durch die ausgewählten Hauptbestandteile Portlandzementklinker und Hüttensand realisiert wird bedeutet dies, dass auch das Endprodukt nach wie vor ein Normzement ist. Er kann ohne aufwändiges Zulassungsverfahren sofort eingesetzt werden. Aktuelle Zielrichtungen dieser Aussteuerungen sind hohe Früh- und Endfestigkeit sowie ein hoher Widerstand gegen chemisch stark angreifende Stoffe ≥ XA 3.

Da sowohl in Rohrwerken als auch in der Fertigteilindustrie Bauteile hergestellt werden (z.B. Biogasbehälter), die hohen chemischen Beanspruchungen standhalten müssen, kommt die mit derartigen Hüttensandhaltigen Zementen erzielbare hohe Frühfestigkeit den Anforderungen im Fertigteilwerk sehr entgegen. Die Verwendung eines nach Zementnormen hergestellten und qualitätsüberwachten Bindemittels hat unbestreitbare Vorteile gegenüber einer Kombination aus Zement und Zusatzstoff. Einfaches Handling, gute Homogenität und gleichmäßige helle Farbgebung sind dazu einige Stichworte.

Definition:

Unter Betonkorrosion wird in der Regel der unbeabsichtigte schädigende chemische Angriff durch Stoffe, die von außen zugeführt werden, verstanden.
(Henning, Knöfel 1988)

Betone im Abwasserbereich sind vielfältigen Beanspruchungen ausgesetzt. Dabei gibt es verschiedene Arten der Korrosion von Betonen:

Lösende Betonkorrosion

n Angriff durch Säuren

n Angriff durch Säurebildner in der Atmosphäre

n Angriff durch Laugen

n Angriff durch weiches Wasser

n Angriff durch Fette und Öle

n Angriff durch Salze (Ammoniumsalze)

Treibende Betonkorrosion

n Sulfattreiben

n Alkalitreiben (AKR)

Bewehrungskorrosion

n Rosten der Bewehrung (Carbonatisierung)

n Halogenidangriff (Chloride)

Aber nicht nur das stehende oder fließende Wasser beansprucht den Beton, sondern auch chemische Reaktionsprodukte im Gasraum von Rohrkanälen und geschlossenen Klärbecken.

Wasser und Ablagerungen auf der Rohrsohle enthalten Sulfate und sulfathaltige Aminosäuren. Durch mikrobiologischen Abbau entstehen flüchtige Sulfide (H₂S und organische Polysulfide). Diese reagieren mit dem Luftsauerstoff und schlagen sich an der Betonwandung als Schwefelsäure H₂SO₄ nieder.

Hoher Widerstand gegen diese chemischen Angriffe lässt sich hier durch Betone mit einem sehr dichten Gefüge und die Auswahl geeigneter Zemente erreichen. Zemente mit einem hohen Anteil an feinsten      Hüttensandmehlen sind neben C3A – freien Portlandzementen besonders geeignet. Durch getrennte Mahlung der Hauptbestandteile lassen sich Korngrößen- und Sulfatoptimierte Bindemittel nach DIN EN197 als

n CEM II / B – S 52,5 R (Variodur 30)

n CEM III / A 52,5 R (Variodur 40)

n CEM III / A 52,5 N - HS/NA (Variodur 50)

herstellen und gezielt bei Betonkorrosion durch chemischen Angriff einsetzen.

Die Dyckerhoff AG führte im Wilhelm Dyckerhoff Institut für Baustofftechnologie bereits Ende der 90-er Jahre des vorigen Jahrhunderts umfangreiche Laboruntersuchungen zur Resistenz von Zementen und Betonen für den Abwasserbereich durch. Eingebunden waren kunststoffmodifizierte Betone / Mörtel in Verbindung mit einem konventionell hergestellten Hochofenzement CEM III / A 42,5 N. Dabei kristallisierten sich neben den C3A – freien Portlandzementen hüttensandhaltige Zemente mit feinem Hüttensand aus getrennter Vermahlung (Mikrodur-Technologie) als besonders leistungsfähig hinsichtlich ihrer chemischen Widerstandsfähigkeit heraus. Diese Eigenschaften waren gekoppelt mit hervorragenden bautechnischen Ergebnissen, die für Erstellung von Stahl- und Spannbetonbauwerken zwingend notwendig sind. Eine weitere Säureprüfung im Labor, gekoppelt mit einem anschließenden Feldversuch in einem Rohwerk fand in Zusammenarbeit mit der Ruhr-Universität Bochum statt. In dem von der Ruhr-Universität konzipierten Säureprüfstand wurden die Betone vergleichend untersucht und anschließend die Betonrezeptur 1 in einem Rohrwerk getestet. Bei diesen Betonen wurde auf den Zusatz von Kunststoffdispersionen verzichtet. Zum Einsatz kam Zement VARIODUR 40 à CEM III / A 52,5 R mit feinem Hüttensand aus getrennter Vermahlung und C3A – freier Portlandzement SULFADUR CEM I 42,5 R – HS / NA.

Die Betone waren wir folgt zusammengesetzt (s. Tabelle oben).

Die Säureprüfung erfolgte in einem von der Ruhr – Universität Bochum konzipierten Prüfstand.

Der Säureprüfstand besteht aus einem Reservoir und zwei über säureresistente Schläuche angeschlossene Lagerbecken. Die Prüfung des Säurewiderstandes erfolgte für jeden Beton in einem separaten Lagerbecken. Als Prüflösung wurde Schwefelsäure mit einem pH-Wert von 3,5 verwendet. Während der gesamten Versuchsdauer wurde die Schwefelsäure über Pumpen kontinuierlich ausgetauscht. Über einen Überlauf gelangte die ausgetauschte Prüflösung wieder in das Reservoir. Die Prüflösung im Reservoir und in den Lagerbecken wurde alle zwei Wochen vollständig ausgetauscht. An den eingelagerten Betonproben wurde über eine Einlagerungsdauer von 15 Wochen der Masseverlust bestimmt.

Auch in diesem Versuch zeigten Betone, die unter Verwendung von Zement CEM III / A 52,5 R mit feinem Hüttensand aus getrennter Vermahlung hergestellt wurden gegenüber der „Konkurrenz“ mit C3A – freiem Portlandzement CEM I 42,5 R – HS/NA in Verbindung mit Mikrosilika und Flugasche vergleichbare bis bessere Ergebnisse.

Da die Realität im Abwassernetz mit allen Parametern im Labormaßstab nicht nachzustellen ist, suchte die Dyckerhoff AG nach Partnern, die bereit waren, Auslagerungsversuche mit verschiedenen Zementen / Betonen zu gestatten und zu unterstützen. Der Niersverband, ein Abwasserverband in NRW am linken Niederrhein, gestattete uns derartige Auslagerungsversuche in seiner größten Kläranlage und begleitet die Versuche mit Laboruntersuchungen des Abwassers und der Gasatmosphäre.

Gemeinsam mit dem Niersverband wurden sechs Auslagerungsstellen ausgesucht, die höchste Angriffsgrade aus Abwasser und Gasatmosphäre sicherstellen.

Es kamen folgende hüttensandhaltige Zemente und ein Portlandzement zum Einsatz:

n CEM II / B – S 52,5 R (VARIODUR 30)

n CEM III / A 52,5 R (VARIODUR 40)

n CEM III / B 52,5 N – HS/NA

(VARIODUR 70)

n CEM II / A – S 52,5 N sp (CANADUR)

n CEM I 42,5 R – HS/NA (SULFADUR)

Die Ausgangskomponenten Hüttensand und Portlandzementklinker wurden getrennt gemahlen und anschließend gemischt, so dass ein optimales Kornband sichergestellt werden konnte.

Eine Kontrolllagerung erfolgt im Wilhelm Dyckerhoff Institut unter Laboratmosphäre 20°C / 65 % rel. F. Insgesamt sind 420 Probekörper ausgelagert, die Auslagerungsdauer wurde auf fünf Jahre festgelegt und wird Mitte 2011 beendet. In engen Intervallen werden Wasser und Gasanalysen mit präzise festgelegten Parametern durchgeführt, so dass für die Probekörper eine sehr genaue Kenntnis der Lagerungsbedingungen vorhanden ist. In Abständen von zwei Monaten werden die Probekörper vor Ort überprüft,
indem der dyn. E-Modul, Gewicht und Dichte gemessen werden, außerdem erfolgt eine visuelle Beurteilung mit Bilddokumentation (erste Zwischenergebnisse siehe oben). Jährlich werden Probekörper entnommen, an denen die Druckfestigkeiten ermittelt werden. Außerdem erfolgen Gefügeuntersuchungen mit dem Rasterelektronenmikroskop und an Dünnschliffen, sowie Untersuchungen mit Hilfe der Röntgendiffraktometrie und Röntgenfluoreszensanalyse.

Der direkte Vergleich mit den im Laborklima gelagerten Probekörpern gestattet somit unter Berücksichtigung der Lagerungsbedingungen im Abwassernetz eine Aussage über Ursachen, Art und Umfang einer evtl. Schädigung und gestattet Rückschlüsse auf die Eignung der verwendeten Zemente. Bis zum Redaktionsschluss der Vortragsfassung lagen mehr als 15.000 Einzelmessdaten vor, die kontinuierlich ergänzt und sorgfältig ausgewertet werden. Es handelt sich um die umfangreichsten Auslagerungsversuche im deutschen Abwassernetz, die eine präzise Erfassung aller relevanten Daten der Zemente / Betone und Auslagerungsparameter ermöglicht.

Zusammenfassen lassen sich die Vorteile der Zemente mit getrennter Mahlung der Hauptbestandteile wie folgt:

n Spezialprodukte mit präziser Einstellbarkeit der Eigenschaften

n Robust, da ohne Zusatzmittel / -stoffe

n Verarbeitung wie normale Zemente
Normzement durch ausschließliche

n Verwendung von genormten Zementbestandteilen

Ein weiteres großes Anwendungsgebiet von Hochleistungsbindemitteln aus getrennter Mahlung ist die Ertüchtigung von Brückenbauwerken zur Erhöhung der Tragfähigkeit. Auf den niederländischen Autobahnen müssen als Folge des zunehmenden Schwerlastverkehrs verschiedene Brückenbauwerke den gestiegenen Anforderungen angepasst werden. Dies geschieht zum einen durch den Bau neuer Fahrspuren und zum zweiten durch eine Ertüchtigung der vorhandenen Brückenkonstruktion, damit die aktuellen und künftigen Verkehrslasten sicher aufgenommen werden können. Für die Brückenbauwerke „Hollandse Brug“ und „Muiderbrug“ werden Baustellenlogistik und Bauverfahren sowie Beton- und Zementtechnologie für hochbeanspruchte Brückenbetone aufgezeigt. 

„Hollandse Brug“ ist der Name der
Brücke, die im Zuge der Autobahn A 6 Amsterdam mit der erst 1975 gegründeten Stadt Almere auf dem Flevolandpolder verbindet.

Die ursprüngliche Konstruktion war den hohen Verkehrsbeanspruchungen auf Dauer nicht gewachsen, und so musste
die Brücke für LKW gesperrt und der Schwerlastverkehr über Fähren abgewickelt werden.

Aus diesem Grunde entschloss sich der Auftraggeber Rijkswaterstaat die Brückenplatte der 350 m langen Stahlbetonbrücke mit einer Straßenfläche von mehr als 10.000 m² vollständig zu erneuern um somit die Traglasten zu erhöhen. Der Fahrverkehr für PKW durfte allerdings nicht unterbrochen werden.

Die besonderen Randbedingungen und die geforderte hohe Ausführungsqualität stellten große Anforderungen an die Bauausführung, die Lieferung des Transportbetons und das zielsichere erreichen der geforderten Eigenschaften.
Die Ertüchtigung sieht auf der vorhandenen Brückenkonstruktion eine 17 cm dicke Betonplatte vor, die als zusätzlichen Oberflächenschutz eine Schicht aus 8 mm Epoxidharz erhält. Dyckerhoff Basal in Almere lieferte ca. 2000 m³ Transportbeton, hergestellt mit CEM III / A 52,5 N – HS / NA VARIODUR 50 aus getrennter Mahlung der Komponenten Portlandzementklinker und Hüttensand.

Die Anforderungen an den Beton nach 48 Stunden waren, bei mindestens 50 % Hüttensandanteil im Zement, eine hohe Haftzug- und Druckfestigkeit von > 35 MPa sowie eine Restfeuchte < 2,5 % für den Auftrag des Epoxidharzes. Zusätzlich waren hoher Frost-Tausalz-Widerstand (Expositionsklasse XF4), schwindarmes Abbinden und Rissefreiheit gefordert. Die Kombination dieser Eigenschaften ist mit Zementen, die durch getrennte Mahlung der Einzelkomponenten hergestellt werden und einer anspruchsvollen Betontechnologie möglich.

Rijkswaterstaat entschied sich nach erfolgreichen Vorversuchen im Wilhelm Dyckerhoff Institut und anschließenden Großversuchen bei Dyckerhoff Basal in Almere für den Beton mit CEM III / A 52,5 N – HS / NA    VARIODUR 50. Bei der Auswahl war die  gleichmäßige Hydratationswärmeentwicklung dieses Zementes bei gleichzeitig großem Festigkeitspotenzial zur zielsicheren Erreichung der geforderten Betoneigenschaften ein entscheidendes Kriterium. Die Betonfestigkeit nach 28 Tagen betrug mit 340 kg Zement je m³ Beton ca. 100 N/mm², die Abwitterungswerte nach dem CDF-Verfahren betrugen i.M. ca. 390 g/m².

Die „Muiderbrug“ überquert im Zuge der Autobahn A 1  den Amsterdam – Rhein Kanal. Die Stahlträgerbrücke wurde in 70-er Jahren des vorigen Jahrhunderts mit einer Spannweite von 300 m erbaut und musste, wie die Hollandse Brug, ertüchtigt werden, um die zunehmenden Verkehrsbelastungen aus dem Schwerlastverkehr aufnehmen zu können.

Die Expansion des Binnenschiffartverkehrs machte außerdem eine Anhebung der Brücke notwendig. Eine Vollsperrung der Brück war nicht möglich, der PKW – Verkehr musste aufrecht erhalten werden.

Die logistischen Anforderungen an den Transport des  Betons bis zu Einbaustelle waren eine besondere Herausforderung, da auf Grund der geringen Fahrbahnbreite Mischfahrzeuge nicht bis zur Einbaustelle fahren konnten und der Beton mit 75 kg / Stahlfasern je m³ nicht betriebssicher über 300 m zu pumpen war. So entschied sich die Bauunternehmung den Längstransport des Betons auf die Schiene zu legen. Für diese Baumaßnahme wurde von Dyckerhoff Basal ein Stahlfaserbeton C 90 / 105 unter der Bezeichnung X-Posal 105 mit VARIODUR 30, CEM II / B – S 52,5 R konzipiert, der hohe Anforderung an

n Chloriddiffusion

n Biegezugfestigkeit

n E-Modul

n Autogenes Schwinden

n Frost- Tausalzwiderstand

erfüllen musste.

Die Ertüchtigung der Hollandse Brug und Muiderbrug zeigt, wie Premium - Zemente mit Mikrodur Technologie in Spezialbetonen Leistungsfähigkeit und Dauerhaftigkeit in idealer Weise kombinieren.

Neben den bislang bekannten Methoden zur Steuerung von Betoneigenschaften beispielsweise durch Zusatzmittel und / oder Zusatzstoffe, eröffnet der Einsatz feinster Normzementbestandteile neue Möglichkeiten. Schnelle, hochfeste und dauerhafte Betone lassen sich so durch Normzemente mit ungewöhnlich hoher Leistungsfähigkeit herstellen. Abgesehen von der für Hochleistungsbeton in jedem Fall erforderlichen Qualitätssicherung gibt es keinerlei Aufwendungen für eine zusätzliche Dosiertechnik zur Abstimmung von Komponenten aufeinander. Die getrennte Mahlung der Hauptbestandteile gestattet es bereits im Zementwerk den Zement exakt auf die späteren Anforderungen zu rezeptieren und dann als Normzement zu überwachen. Eine zeitnahe Erfassung der wichtigsten Produktionsparameter und Weiterleitung an das Betonwerk, noch bevor das Silofahrzeug das Zementwerk verlässt, ist möglich und wird praktiziert.

Zwischenzeitlich wurden bereits Rohrkanäle, Biogasbehälter und ein Naturzugkühler aus Beton mit erhöhtem Säurewiderstand unter Verwendung von Hüttensandhaltigen Zementen aus getrennter Mahlung ausgeführt. Außerdem zeigt die Ertüchtigung von Brückenbauwerken, dass die hohen Anforderungen an

n Chloriddiffusion

n Biegezugfestigkeit

n E-Modul

n Autogenes Schwinden

n Frost- Tausalzwiderstand

zielsicher mit solchen Hochleistungsbindmitteln erfüllt werden können. Die konsequente Weiterentwicklung dieser Bindemittel für UHPC – Betone, die wir unter dem Produktnamen NANODUR betreiben, zeigt uns, dass für hochbelastbare Bauteile und Bauwerke mit mineralischen Bindemitteln neue Anwendungsmöglichkeiten möglich sind, die deutlich über die jetzt bekannten Grenzen der Zement- und Betontechnologie hinausgehen.n