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Instandsetzung und Verstärkung von Stahlbetonbauwerken mittels dünner UHPC-Spritzbeton-Schichten: Einsatzgebiete, Bemessung, Dauerhaftigkeit, Verarbeitungstechnologie

Im Bereich der Verkehrsbauwerke wie auch des Hochbaus ist der heutige Baubestand typischerweise 30 bis 80 Jahre alt. Durch die chloridhaltige Exposition und die hohen Verkehrsbelastungen sind die Bauwerke meist in einem geschädigten Zustand. Es besteht aktuell ein sehr großer Bedarf an effizienten Instandsetzungs- und Verstärkungsmethoden, um den überalterten Baubestand den heutigen Anforderungen anzupassen.

Durch den Einsatz des innovativen Hochleistungswerkstoffes Ultra-Hochleistungs Beton (engl. UHPC) wird ein optimierte Instandsetzungs- und Verstärkungssysteme entwickelt. Der Werkstoff kommt hier erstmalig als Spritzbeton (UHPC Spritzbeton) zur Anwendung. Hierdurch wird der Bauablauf technisch vereinfacht sowie zeitlich optimiert. Hinsichtlich der statischen Wirkung wird das Hochleistungsmaterial dort aufgebracht, wo es am effizientesten wirken kann, direkt auf den Oberflächen mit einem größtmöglichen Hebelarm. Hinsichtlich der Dauerhaftigkeit kann der dichte UHPC durch den hohen Elektrolytwiderstand ablaufende Korrosionsprozess auf ein unschädliches Maß reduzieren. Gleichzeitig wird das Bauwerk dauerhaft vor dem Eindringen neuer Chloride geschützt.

Das Tragverhalten des Verbundsystems wird beeinflusst durch die Interaktion des vorhandenen normalfesten Betonbauteils mit der hochfesten Aufbetonschicht. Hierbei ist das Verbundverhalten und insbesondere das zeitabhängige Materialverhalten (Schwinden, Kriechen) der beiden zementösen Werkstoffe zu berücksichtigen. Die effiziente Erhöhung der Tragfähigkeit ergibt sich aufgrund der sehr hohen Druckfestigkeit des UHPCs. Auch eine Erhöhung der Zugfestigkeit des Verbundbauteils wird durch die Fasertragwirkung des hierfür verwendeten UHP(FR)C (FR = engl. fibre reinforced) erzielt. Die Applikation als Spritzbeton wirkt hierbei günstig auf die Faserverteilung aus. Die Fasern richten sich vorrangig oberflächenparallel aus und dies verbessert die Zug- bzw. Biegezugfestigkeit des Verbundmaterials. Für die Aufnahme großer Zugkräfte und das Erreichen einer hohen Verformungskapazitäten ist es möglich zusätzliche Bewehrungselemente (Bewehrungsstahl, Spannstahl, Textilien, etc.) in das System mit einzubinden.

Durch die Stahlfasern im UHP(FR)C kann eine Multirissbildung erzeugt werden, vergleichbar mit einer rissverteilenden Bewehrung. Dies wird durch die risskreuzenden Fasern erzielt, die eine höhere Festigkeit als die umgebende Matrixfestigkeit besitzen. Somit öffnet sich ein entstandener Riss nicht weiter, sondern es bilden sich Sekundärrisse (vgl. Rissverteilung beim Stahlbeton). Der Rissabstand beträgt nur wenige Millimeter und die Rissbreite ist somit sehr gering. Die Größenordnung liegt bei UHP(FR)C bei 0,02 mm im Vergleich zu 0,2 mm bei Stahlbeton. Angestrebt wird, dass die UHPC-Schicht somit in der Lage ist Chloride dauerhaft von der Stahlbetonkonstruktion fernzuhalten.

Die Besonderheit dieses Forschungsansatzes ist die enge Verzahnung der bemessungstechnischen und tragfähigkeitsrelevanten Fragestellungen mit den baustoffspezifischen sowie dauerhaftigkeitsrelevanten Besonderheiten. Hierdurch werden die exzellenten Eigenschaften des UHPCs im Bereich der Tragfähigkeit und Dauerhaftigkeit optimal genutzt und der Werkstoff wirtschaftlich effizient eingesetzt.