Druckfestigkeits- und Leistungsklassen für ultrahochfesten Beton (2)

3 Klassifizierung von stahlfaserbewehrtem UHFB im Zugbereich

3.1 Kenngrößen und Prüfverfahren

Im Zugbereich ist die zentrische Nachrisszugfestigkeit (Notation: f_cft) die wichtigste Materialkenngröße des stahlfaserbewehrten UHFB. Sie ist als die maximale nominelle Betonzugspannung definiert, die unter axialem Zug im gerissenen Zustand durch die Wirkung der Fasern aufgenommen werden kann. Sie entspricht somit dem Höchstwert der Spannungs-Rissöffnungs- bzw. Spannungs-Dehnungs-Kurve im Nachrissbereich (Abb. 8d).

Zur Bestimmung der zentrischen Nachrisszugfestigkeit von Stahlfaserbeton haben sich verschiedene Verfahren etabliert. In Zugversuchen an ungekerbten (Abb. 8a), knochenförmigen (Abb. 8b) oder gekerbten Proben (Abb. 8c) wird unmittelbar die zentrische Nachrisszugfestigkeit erhalten (sogenannte direkte Verfahren). Allerdings ist die Durchführung solcher Versuche aufwendig und fehleranfällig [18]. Daher werden in der Baustoffprüfung Biegeversuche an Balken, seltener auch an Kreisringplatten [19], oder Spaltzugversuche [20] bevorzugt (sogenannte indirekte Verfahren).

Biegeversuche an Balken werden entweder als 3-Punkt-Versuch an gekerbten Balken (z. B. nach DIN EN 14651 [21]; Abb. 8e) oder als 4-Punkt-Versuch an ungekerbten Balken (z. B. nach DAfStb-Richtlinie „Stahlfaserbeton“ [4]; Abb. 8f) durchgeführt. Insbesondere bei höheren Fasergehalten erweist sich der 4-Punkt-Versuch als nachteilig, da der Verlauf der Last-Durchbiegungs-Kurve wegen der fehlenden Kerbung entscheidend vom willkürlichen Rissbild und vom Ort des Versagensrisses abhängt. Abb. 9 zeigt exemplarisch Last-Durchbiegungs-Kurven, die an Biegebalken aus der gleichen UHFB-Mischung in 3-Punkt-Versuchen (Abb. 9a) und 4-Punkt-Versuchen (Abb. 9b) ermittelt wurden. Die Verläufe der Last-Durchbiegungs-Kurven der 4-Punkt-Versuche variieren stärker als die der 3-Punkt-Versuche. Bedingt durch die Mehrfachrissbildung der ungekerbten Balken, die sich in dem geneigten Ast zwischen etwa 0,5 mm Durchbiegung und dem Erreichen der Höchstlast manifestiert, sind Rissbreite und Mittendurchbiegung beim 4-Punkt-Versuch nicht mehr miteinander korrelierbar. Der Entwurf der DAfStb-Richtlinie „Ultrahochfester Beton“ sieht daher als Prüfverfahren den 3-Punkt-Versuch nach DIN EN 14651 vor (Abb. 10a).

Bei diesem Versuch werden die Last F und die Verschiebung am Ansatz der Rissöffnung CMOD (Crack Mouth Opening Displacement; Abb. 10b) bzw. alternativ die Mittendurchbiegung des Balkens d gemessen. Aus den bei CMOD₁ = 0,5 mm, CMOD₂ = 1,5 mm, CMOD₃ = 2,5 mm und CMOD₄ = 3,5 mm (bzw. alternativ d₁ = 0,47 mm, d₂ = 1,32 mm, d₃ =  2,17 mm und d₄ =  3,02 mm) aufgenommenen Kräften F_j werden unter der Annahme linear-elastischen Verhaltens des Balkens fiktive Nachrissbiegezugfestigkeiten f_R,j berechnet. Diese Nachrissbiegezugfestigkeiten müssen anschließend unter Berücksichtigung der tatsächlich nichtlinearen Spannungsverteilung im Rissquerschnitt in zentrische Nachrisszugfestigkeiten umgerechnet werden.

Um für stahlfaserbewehrten UHFB Festlegungen zur Umrechnung von der Nachrissbiegezugfestigkeit in die zentrische Nachrisszugfestigkeit treffen zu können, wurden im Rahmen des DAfStb-Forschungsvorhabens V 497 umfangreiche Versuche durchgeführt [22, 23].

3.2 Experimentelle Untersuchungen zur Frage der Umrechnung von der Nachrissbiegezugfestigkeit in die zentrische Nachrisszugfestigkeit

Das Versuchsprogramm (Tabelle 3) umfasste 7 Serien aus stahlfaserbewehrtem UHFB, in denen das Größtkorn der Gesteinskörnung (D_max = 0,5 mm, 3 mm und 8 mm), die Fasergeometrie (l_f/f_f = 9 mm/0,175 mm und 17 mm/0,20 mm) und der Fasergehalt (ρ_f = 0,5 Vol.-%, 1,0 Vol.-% und 2,5 Vol.-%) variiert wurden. Bei der Serie 2A handelt es sich um eine Wiederholung der Serie 2, die der Absicherung der Ergebnisse diente. Die mittlere Druckfestigkeit der einzelnen Serien wurde an Würfeln mit d = 100 mm bestimmt und betrug zwischen 160 und 189 N/mm².

Jede Serie beinhaltete 6 Balken mit l/b/h = 550 mm/150 mm/150 mm, die in 3-Punkt-Versuchen in Anlehnung an DIN EN 14651 geprüft wurden (Abb. 10), sowie 24 Zugproben, die in axialen Zugversuchen geprüft wurden (Abb. 11b). Um sicherzustellen, dass die Biegebalken und die Zugproben vergleichbare Zugtrageigenschaften besitzen, wurden die Zugproben aus je 4 weiteren Biegebalken l/b/h = 550 mm/150 mm/150 mm herausgeschnitten (Abb. 11a). Das Befüllen der Balkenschalungen erfolgte von einem Schalungsende aus. Unmittelbar nach der Herstellung wurden die Probekörper mit Folie abgedeckt, nach 24 Stunden ausgeschalt, bis zum 28. Tag unter Wasser und anschließend bis zur Prüfung unter Raumklima gelagert.

Um das Versagen der Zugproben im gleichen Querschnitt wie beim gekerbten Balken (Probenmitte) zu erzwingen, wurden mit einem Epoxidharzklebstoff jeweils zwei Stahllaschen so auf zwei gegenüberliegende Seitenflächen der Zugproben aufgeklebt, dass sich in der Mitte der Zugprobe (Sollbruchstelle) ein nicht verstärkter Bereich („Kerbe“) von ca. 2 mm Länge ergab. Die so verstärkten Zugproben wurden unmittelbar in eine auf diesen Zweck abgestimmte Klemmvorrichtung der Prüfmaschine eingespannt. Versuchsaufbau und Instrumentierung sind im Detail in [22, 23] beschrieben.

3.3 Ergebnisse der 3-Punkt-Biegeversuche und der axialen Zugversuche

Die Auswertung der 3-Punkt-Biegeversuche erfolgte in Form von Last-Durchbiegungs-Kurven und Nachrissbiegezugfestigkeiten f_R,j. Abb. 9a und Abb. 12 zeigen exemplarisch für die Serien 1, 3 und 4 die erhaltenen Last-Durchbiegungs-Kurven, die einen deutlichen Einfluss der Faserlänge auf den Kurvenverlauf und die Durchbiegung bei Erreichen der Höchstlast erkennen lassen. Die Nachrissbiegezugfestigkeiten f_R,j der Balken wurden nach [21] bei den in Abschnitt 3.1 angegebenen Mittendurchbiegungen d₁ bis d₄ bestimmt. Die zentrische Nachrisszugfestigkeit wurde aus der in den axialen Zugversuchen (Abb. 11b) ermittelten Höchstlast im Nachrissbereich und der genauen Querschnittsfläche des Soll-Rissquerschnitts bestimmt.

Die Ergebnisse sind in Abb. 13 in Form eines Säulendiagramms dargestellt. Die Reihung der Serien erfolgte nach der Länge der in den Serien eingesetzten Fasern (Serien 1, 3 und 5: kurze Fasern; Serien 2, 2A, 4 und 6: lange Fasern), um die damit einhergehende Systematik zu verdeutlichen. Die Höhen der farbigen Säulen repräsentieren die Mittelwerte der Nachrissbiegezugfestigkeiten f_Rm,j bei den Durchbiegungen d_j (bzw. den entsprechenden CMOD_j). Die Höhe der weißen Säule entspricht dem Mittelwert der zentrischen Nachrisszugfestigkeit f_cftm. In Klammern sind die Verhältniswerte zwischen der mittleren zentrischen Nachrisszugfestigkeit und den verschiedenen mittleren Nachrissbiegezugfestigkeiten der gleichen Serie angegeben.

Da die vom Balken aufnehmbare Kraft mit zunehmender Mittendurchbiegung (Öffnung des Biegerisses) bei kurzen Fasern schneller abnimmt als bei langen Fasern (vgl. Abb. 12), liefert eine Auswertung für die Mittendurchbiegungen d₂ bis d₄ für die Serien mit kurzen bzw. langen Fasern sehr unterschiedliche Verhältniswerte f_cftm/f_Rm,j, die sich nicht für die Festlegung eines allgemeinen Umrechnungsfaktors zwischen Nachrissbiegezugfestigkeit und zentrischer Nachrisszugfestigkeit eignen. Dagegen ergeben sich bei einer Auswertung bei kleiner Mittendurchbiegung (d₁ = 0,47 mm bzw. CMOD₁ = 0,5 mm), d. h. im ansteigenden Ast der Last-Durchbiegungs-Kurve bzw. nahe der Höchstlast, für 6 der 7 Serien mit 0,34 bis 0,41 ähnliche Verhältniswerte. Serie 5 liefert mit f_cftm/f_Rm,1 = 0,47 einen Ausreißer. Grundsätzlich erscheint jedoch der Verhältniswert f_cftm/f_Rm,1 für eine vereinfachte Umrechnung zwischen Nachrissbiegezugfestigkeit und zentrischer Nachrisszugfestigkeit am besten geeignet. Lässt man den außergewöhnlich hohen Wert aus Serie 5 außer Betracht, so ergibt sich im Mittel f_cftm/f_Rm,1 = 0,37.

3.4 Schlussfolgerungen für die Klassifizierung von stahlfaserbewehrtem UHFB im Zugbereich

Der Entwurf der DAfStb-Richtlinie „Ultrahochfester Beton“ sieht zur Klassifizierung des stahlfaserbewehrten UHFB Leistungsklassen vor. Die Leistungsklassen werden durch das Symbol L gekennzeichnet, gefolgt vom sogenannten Grundwert der zentrischen Nachrisszugfestigkeit f_cft0 in N/mm². Zur Einordnung des stahlfaserbewehten UHFB in eine Leistungsklasse wird der nach DIN EN 14651 im 3-Punkt-Versuch bei d₁ = 0,47 mm bzw. CMOD₁ = 0,5 mm bestimmte charakteristische Wert der Nachrissbiegezugfestigkeit vereinfachend mit dem Beiwert 0,37 aus Abschnitt 3.3 in eine zentrische Nachrisszugfestigkeit umgerechnet. Somit ergibt sich beispielsweise für die Leistungsklasse L5,0 (f_cft0 = 5,0 N/mm²) ein im 3-Punkt-Versuch nachzuweisender charakteristischer Wert der Nachrissbiegezugfestigkeit von 13,5 N/mm².

Da die zentrische Nachrisszugfestigkeit des stahlfaserbewehrten UHFB maßgeblich durch die Orientierung der Fasern bestimmt wird, muss der Grundwert der zentrischen Nachrisszugfähigkeit in Fällen, in denen sich die spezifische Faserorientierung im Bauteil aufgrund abweichender Geometrie, Herstellmethodik oder Beanspruchungsart von der des Probekörpers der Baustoffprüfung unterscheidet, angepasst werden. Dazu werden im Entwurf der DAfStb-Richtlinie „Ultrahochfester Beton“ Beiwerte definiert, die auf vereinfachte Weise das Verhältnis zwischen der mittleren Faserorientierung des betrachteten Nachweisschnitts in einem Bauteil und der mittleren Faserorientierung im Rissquerschnitts des im 3-Punkt-Biegeversuch geprüften Biegebalkens berücksichtigen.

4 Zusammenfassung

Die DAfStb-Richtlinie „Ultrahochfester Beton“ wird das Spektrum der Konstruktionsbetone gegenüber DIN EN 206 und DIN EN 1992-1-1 erheblich erweitern. Um die Sprödigkeit bei Druckversagen zu mindern und die Robustheit des Tragwerks zu erhöhen, ist der Einsatz von Stahlfasern bei Konstruktionen aus UHFB obligatorisch. Wesentliche mechanische Kenngrößen des stahlfaserbewehrten UHFB sind die Druckfestigkeit und die zentrische Nachrisszugfestigkeit. Anhand dieser Parameter erfolgt die Klassifizierung in „Betonfestigkeitsklassen“ und in „Leistungsklassen“.

Wesentlichen Einfluss auf die mechanischen Kenngrößen hat nicht nur der Fasergehalt, sondern auch die Faserorientierung. Da sich die Fasern bevorzugt in Strömungsrichtung des Frischbetons ausrichten, hängt die Faserorientierung wesentlich von der Geometrie des Bauteils und der Herstellmethodik ab. Innerhalb eines Betonvolumens können sich lokal sehr unterschiedliche Faserorientierungen einstellen. Stahlfaserbewehrter UHFB zeigt dann, je nach Beanspruchungsrichtung, ein unterschiedliches Zug- und Drucktragverhalten. Mit zunehmendem Fasergehalt ist die Anisotropie stärker ausgeprägt.

Die Druckfestigkeit von Probekörpern ist daher nicht allein von deren Schlankheit und Größe, sondern auch vom Fasergehalt und von der Faserorientierung in Bezug auf die Druckrichtung abhängig. Zudem wird das Ergebnis der Druckfestigkeitsprüfung bei UHFB mehr als bei normal- und hochfesten Betonen durch die Ebenheit und Planparallelität der Belastungsflächen beeinflusst. Die höchsten Druckfestigkeiten bei gleichzeitig niedriger Streuung erhält man, wenn auch die Belastungsflächen der Würfel geschliffen werden.

Die Charakterisierung des Zugtragverhaltens des gerissenen stahlfaserbewehrten UHFB erfolgt anhand der zentrischen Nachrisszugfestigkeit. Ihr Grundwert wird nicht direkt, sondern mit Hilfe eines Biegeversuchs bestimmt. Dieser wird nach DIN EN 14651 als 3-Punkt-Versuch an einem gekerbten Balken durchgeführt. Unter Berücksichtigung der sich im gerissenen Zustand einstellenden nicht-linearen Spannungsverteilung wird aus der Nachrissbiegezugfestigkeit bei kleiner Mittendurchbiegung des Balkens der Grundwert der zentrischen Nachrisszugfestigkeit abgeleitet. Anhand dieses Grundwerts erfolgt die Zuordnung des stahlfaserbewehrten UHFB zu einer „Leistungsklasse“. Abweichende Faserorientierungen in Bauteilen werden durch Korrekturbeiwerte im Rahmen der Bemessung berücksichtigt.

5    Anerkennung

Die vorgestellten Untersuchungen wurden im Rahmen der DAfStb-Forschungsvorhaben V 497 und V 501 erzielt. Die Autoren danken dem Deutschen Ausschuss für Stahlbeton e.V. sowie den Firmen NV Bekaert SA Building Products und KrampeHarex GmbH & Co. KG für die finanzielle und materielle Unterstützung.