Stefan Ullmann

Dipl.-Ing. (FH) Stefan Ullmann

Fachgebiet Baustoffe

Beethovenstraße 52

38106 Braunschweig

Telefon: 0531/391-5591

Forschungsvorhaben:

Alterung lebensdauerrelevanter Materialwiderstände instandgesetzter Betonbauteile in Abhängigkeit von mechanischen Kenngrößen

Bei einer klassischen Betoninstandsetzung wird der geschädigte Beton abgetragen, bis der "gesunde" Kernbeton erreicht ist. Anschließend erfolgt (gegebenenfalls nach Zulage von Bewehrungseisen) eine Reprofilierung des zuvor abgetragenen Betons mit Hilfe eines zementären Instandsetzungsmörtels oder -betons. In Einzelfällen bedarf es einem Mehrauftrag zur Erhöhung der Betondeckung oder zur Verstärkung des Bauteils. Nach einer solchen Instandsetzung wird ein Bauteil in der Regel als neuwertig betrachtet. Eine detaillierte Aussage zur Restlebensdauer eines instandgesetzten Stahl­betonbauteils war bisher nicht möglich. Eben diese ist jedoch für den Eigentümer oder Nutzer eines Stahlbeton­bauwerks im Hinblick auf wirtschaftliche Gesichtspunkte von großem Interesse.

Im Rahmen zweier Forschungsarbeiten an der TU München ist es kürzlich gelungen, den Ansatz zur probabilistischen Lebensdauerbemessung nach Gehlen in einen semi-probabilistischen, und somit stark praxisorientierten Ansatz, zu überführen. So ist es nun möglich, die Restlebensdauer eines Stahlbeton­bauteils im Hinblick auf carbonatisierungsinduzierte und chloridinduzierte Korrosion abhängig u.a. von den Witterungseinflüssen, den aufgebrachten Mörtelschichtdicken und den materialspezifischen Widerständen gegen Chlorideindringen und Carbonatisierung zu berechnen. Diese Berechnungs­möglichkeiten sollen zeitnah Einzug in die gängigen Regelwerke der Beton­instandsetzung erhalten.

Die Grundlage der Berechnungsansätze bildet das 2. Fick'sche Gesetz, welches die Diffusions­mechanismen beschreibt und eine materialspezifische Abschätzung des Eindring­verhaltens von Flüssigkeiten und Gasen in den Beton auf chemischer Ebene ermöglicht. Die Alterung eines Bauteils und seiner Materialwiderstände gegen chemischen Angriff wird im Falle der Carbonatisierung mit Hilfe des Wurzel-Zeit-Ansatzes und im Falle des Chlorideindringens über die Anpassung des Chlorid­diffusionskoeffizienten mit Hilfe eines experimentell ermittelten Altersexponenten berücksichtigt.

Der Beitrag der Mechanik bei der Beschreibung von Alterungsprozesse in einer Instandsetzungsschicht wurde in den gängigen Modellen zur Lebensdauerbemessung bislang nicht integriert. Dass hier Forschungsbedarf besteht wird bei der Betrachtung der Steuerbarkeit von Spannungsverteilungen zwischen Instandsetzungsmaterial und Altbeton über die Variation des E-Moduls in der Instand­setzungsschicht deutlich. Ein weiches System entzieht sich einer Belastung während ein steiferes den Altbeton ggf. entlastet und selbst den Lastabtrag übernimmt. Infolge von Verformungen (hervorgerufen aus Belastung, Schwindprozessen oder Temperaturdehnung) kommt es lange vor einer mit dem Auge sichtbaren Rissbildung zu einer Mikrorissbildung in der Zementsteinmatrix. Damit einher geht eine Veränderung der dauerhaftigkeitsrelevanten Materialwiderstände.

Ziel der Arbeit ist es deshalb, zunächst anhand von Laboruntersuchungen und abhängig von zahlreichen Variablen (z.B. Altbetonklasse, Geometrie des Betonabtrags, Belastungsszenario, E-Modul, Festigkeit, Schwindverhalten sowie Temperatur des Instandsetzungs­materials) im Sinne einer mög­lichst langen Lebensdauer ideale Kombinationen mechanischer Kenngrößen zwischen Altbeton und Instandsetzungsmaterial zu bestimmen. Betrachtet werden soll dabei die Spannungsverteilung im Bauteilquerschnitt aber auch auf die Verbundfuge. Diese Betrachtungen sollen im Weiteren mit Untersuchungen zum Einfluss mechanischer Alterung auf den Chloriddiffusionskoeffizienten und den Carbonatisierungswiderstand in Zusammenhang gebracht werden.

weiterführende Literatur:

S. Ullmann, H.-W. Krauss and H. Budelmann. Mörtel für die Betoninstandsetzung auf Basis alkalisch aktivierter Bindemittel. Beton: Herausforderungen in Forschung und Praxis. Festschrift anlässlich des 60. Geburtstages von Herrn Prof. Dr.-Ing. Rolf Breitenbücher. ISBN 978-3-00-056692-9, 2017, S. 514-525.