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Spannung sichern – Einpressmörtel haben entscheidenden Anteil an der Dauer­haftigkeit von Spannbeton­konstruktionen mit nachträglichem Verbund

Die Entwicklung der Vorspanntechnik durch den französischen Ingenieur Eugène Freyssinet in den 1930er Jahren revolutionierte die Betonbauweise. Die Nutzung von Spannbetonkonstruktionen eröffnete seitdem völlig neue Perspektiven, die vorrangig im Brückenbau, darüber hinaus aber auch im Behälter- und Silobau sowie im allgemeinen Hochbau den Stahlbetonbau um ein wesentliches Segment ergänzen. Das sorgfältige und vollständige Injizieren von Spanngliedern mit nachträglichem Verbund trägt entscheidend zur Minimierung des Schadensrisikos an Spannbetonkonstruktionen bei.

Die Empfindlichkeit der Spannstähle gegenüber Korrosionsangriffen ist seit Einführung der Bauweise bekannt, so dass bereits von Anfang an großer Wert auf einen sicheren Korrosionsschutz gelegt wurde. Spannsysteme mit nachträglichem Verbund wurden und werden deshalb nach dem Verlegen und Spannen mit Zementsuspensionen verpresst. Diese entstehen i. d. R. aus einem Zement-Wasser-Gemisch sowie Zusatzmitteln, die zur Verflüssigung dienen und ein geregeltes Quellen des erstarrenden Mörtels bewirken. Das erhärtete Verpressmaterial stellt den aktiven und dauerhaften Korrosionsschutz der Spannlitzen und den wirksamen Verbund zwischen Spannstahl und Betonbauteil sicher. Trotz wachsender Anforderungen an die Spannsysteme gibt es eine Vielzahl von Berichten und Informationen über Korrosionsschäden an Spanngliedern. Kapitale Einstürze von Bauwerken, wie der Teileinsturz der Berliner Kongresshalle 1980, bei dem auch ein Todesopfer zu beklagen war, sind dabei glücklicherweise selten. In der Schweiz wurden sehr umfangreiche Untersuchungen zu Schadensfällen an Spannbetonkonstruktionen veranlasst, in deren Durchführung vielfältigste Schadensberichte analysiert und systematisiert wurden [1]. Die Auswertung dieser Untersuchungen ließ den Schluss zu, dass unsachgemäßes Injizieren und fehlerhafter Verpressmörtel vorwiegend sekundäre Schadensursachen darstellen. Besonders wenn schädigende Substanzen wie chloridhaltige Wässer durch undichte und fehlerhafte Fahrbahnübergänge, Abdichtungen oder undichte Entwässerungsleitungen barrierefrei und direkt zum Spannsystem gelangen, ist die Qualität des Korrosionsschutzes von entscheidender Bedeutung für die Verhinderung von Korrosionsschäden am Spannstahl. Dies verdeutlicht, in welch hohem Maß das sorgfältige und vollständige Injizieren von Spanngliedern mit nachträglichem Verbund zur Minimierung des Schadensrisikos an Spannbetonkonstruktionen beiträgt.

Normative

Die Konfektionierung des injizierten Verpressmaterials (i. d. R. Zementsuspensionen) lag anfangs in der Hand der Fachfirmen für Spanntechnik. Erst mit Einführung der DIN 4227-5 [2] im Jahr 1979 wurden in Deutschland entsprechende Eigenschaften für die Mörtelausgangsstoffe und die daraus hergestellten Einpressmörtel normativ definiert. Im Jahr 1996 wurde diese Regelung durch das europäische Normenwerk DIN EN 445 bis 447 [3] ersetzt. Weitere Regelungen zur Klassifizierung von "Spezialverpressmörteln" finden sich in der "Richtlinie für die europäisch technische Zulassung von Spannsystemen für das Vorspannen von Tragwerken" (ETAG 013) der EOTA [4] aus dem Jahr 2002. Die darin aufgeführten Anforderungen und die zur Beurteilung herangezogenen Prüfverfahren erhöhen den Anspruch an die Leistungsfähigkeit eines Verpressmörtels im Hinblick auf seine Stabilität und sein Wasserabsetzverhalten erheblich. Ende 2007 wurde eine überarbeitete Fassung der Normenreihe EN 445 bis 447 verabschiedet, die seit Januar 2008 auch als deutsche Fassung vorliegt [5]. Die Anforderungen dieser Norm sind im Wesentlichen an die der ETAG 013 angelehnt. In Deutschland bewährte Prüfverfahren zur Konsistenzmessung von Einpressmörteln (Tauchverfahren) blieben im Normenwerk allerdings unberücksichtigt, die praktische Umsetzbarkeit verschiedener Prüfverfahren auch unter Baustellenbedingungen scheint fraglich. Diese nicht harmonisierte Normenreihe wird daher in Deutschland vorerst nicht bauaufsichtlich eingeführt, die weitere Vorgehensweise ist offen.

Einpressmörtel aus rheoment®– Eigenschaften

Im Trend der geschilderten normativen Entwicklung und deren erhöhten Anforderungen befindet sich der Ansatz für die Herstellung von Einpressmörtel von dornburger zement. Bereits in den Jahren 2003/2004 wurde nach Lösungen gesucht, um die Verpressung vertikaler Spannkanäle in Betonfertigteiltürmen für Windenergieanlagen (WEA) zu optimieren (Bild 1). Dabei ging es vorrangig um die Minimierung des Wasserabsetzens, das beim Verpressen mit herkömmlichen Stoffansätzen aus Zement, Einpresshilfe und Wasser zu technischen Schwierigkeiten führte, die nur mit hohem zeitlichen Arbeitsaufwand gelöst werden konnten.
Die Entwicklung von rheoment® bietet nun die Möglichkeit der Herstellung eines Einpressmörtels, der bei der Verpressung von Spannkanälen folgenden Ansprüchen genügt:

  • keine Entmischungen oder Separationen des Einpressmörtels im Spannkanal
  • Vermeidung von Fehlstellen im verpressten Spannkanal durch eine extrem minimierte Wasserabsetzneigung des Einpressmörtels
  • geregeltes Quellen zur Erzielung eines kraftschlüssigen Verbundes
  • Vermeidung von Dosierfehlern durch Bereitstellung eines 1-Komponenten-Systems
  • ausgewogene Verarbeitungszeit zur Förderung von Entlüftungsvorgängen im Spannkanal und für die Bewältigung von Havariefällen oder anderen Verzögerungen während des Verpressvorganges.

Die Basis für einen erfolgreichen Verpressvorgang wird bereits bei der Herstellung von rheoment® im Werk gelegt. Dabei werden die Qualitätsparameter von rheoment® gezielt gesteuert. Dies geschieht durch die im Rahmen der Qualitätssicherung präzise definierten Variationsmöglichkeiten für die Dosierung der speziell auf den Zement abgestimmten Zusatzmittel, die einem ausgewählten Zement der Güte CEM I 42,5 R innerhalb eines Trockenmischprozesses bei dornburger zement zugegeben werden. Im Ergebnis liegt ein Zement mit Zusatzmittelanteilen vor, der den normativen Anforderungen an einen Einpresszement genügt und ausschließlich mit Wasser gemischt die zielsichere Herstellung eines hochwertigen Einpressmörtels erlaubt, dessen Eigenschaften nachweislich die neusten europäischen Normenstandards ([4], [5]) erfüllt (Tab. 1).

Mischtechnik

Praktisch unabdingbar ist die Abstimmung des Verpressmaterials mit der auf der Baustelle zur Verfügung stehenden Misch- und Aufbereitungstechnik. Der hergestellte Verpressmörtel wird in seiner Güte wesentlich von der Qualität seiner Aufbereitung beeinflusst. Dabei spielen die Intensität des Mischvorgangs, die Geometrie des Mischbehälters und des Mischwerkzeuges, die Strömungsverhältnisse im Mischer und die durch den Mischvorgang auf das Verpressmaterial wirkenden Scherkräfte eine entscheidende Rolle. Die Optimierung der Mischzeiten und die Anpassung der Aufbereitung an die jahreszeitabhängig wechselnden Witterungsbedingungen sind für die Herstellung qualitativ hochwertiger Einpressmörtel generell erforderlich (Bild 2).
Die zum Aufbereiten von rheoment® notwendige Menge Wasser ist auf Grund des niedrig gehaltenen Wasser-Zement-Wertes (w/z-Wert) von = 0,33 sehr gering. Mit herkömmlicher Mischtechnik für Einpressmörtel, deren Wirkung auf w/z-Werte zwischen 0,36 und 0,44 konzipiert ist, ist ein optimaler Materialaufschluss nicht immer möglich. Daher hat es mit den in Deutschland aktiven Inhabern von Spannverfahrenzulassungen in den vergangenen Jahren praktisch technische Abstimmungen für die Erzielung eines optimalen Aufschlusses von rheoment® mit der jeweiligen Mischtechnik gegeben, darüber hinaus auch mit Spanntechnikfirmen weiterer europäischer Länder. Die Modifizierung oder der Ersatz von z. T. bereits jahrzehntealter Mischtechnik ist für die Aufbereitung von Einpresszementsystemen, deren Leistungsfähigkeit sich an den aktuellen Normanforderungen orientiert, unabdingbar.
Als 1-Komponenten-System bietet rheoment® neben der herkömmlichen Verarbeitung von Einpresszementen als Sackware auch die Möglichkeit zur Nutzung spezieller Chargenmischer, mit denen lose Ware aus Silo oder Big Bag verarbeitet werden kann (Bild 3). Damit kann auf prädestinierten Baustellen (Taktschiebebrücken, Windparks etc.) ein Beitrag zur Reduzierung von Abfällen und zur Vermeidung körperlich schwerer und die Gesundheit belastender Arbeit geleistet werden. Darüber hinaus werden Mischdaten gespeichert und zur elektronischen Weiterverarbeitung zur Verfügung gestellt. Eine lückenlose Dokumentation der Wäge- und Mischprozesse kann somit sichergestellt werden.
Die teilautomatisierten Dosier- und Mischvorgänge dieser Mischstationen wirken sich positiv auf die Wirtschaftlichkeit von Verpressvorgängen hinsichtlich benötigter Zeit und optimiertem Mitarbeitereinsatz aus. Die Bedienung und Überwachung des Mischers kann problemlos durch einen einzelnen Mitarbeiter sichergestellt werden, wobei dauerhaft körperlich schwere Arbeit entfällt und Dosierfehler reduziert werden.

Einflussgrößen auf das Verpressergebnis

Die Qualität und Leistungsfähigkeit des Einpresszementes zur Herstellung eines Verpressmörtels ist innerhalb des Gesamtvorganges Verpressen von Spanngliedern mit nachträglichem Verbund ein wichtiger Baustein, der jedoch nur unter Beachtung vieler weiterer entscheidender Rahmenbedingungen zu einem zielsicheren Verpressergebnis führen kann. Dabei sind sowohl beim Mischvorgang als auch beim Verpressen eine Vielzahl von Einflussgrößen in ihrem Zusammenspiel zu beachten [5].

Beispielhaft stehen dafür:

  • die Außentemperaturen während des Verpressens
  • die Intensität der Sonneneinstrahlung auf Mischer und Pumpe, Verpressschläuche und Bauteil (Sonnen- und Schattenseiten an Türme, Silos etc.)
  • die Temperaturen von Bauteil, Wasser und Zement
  • die Mischintensität und die Mischzeit
  • die dadurch beeinflusste Mörteltemperatur
  • die Hüllrohrgeometrie und der Füllgrad des Spannkanals
  • der Verpressdruck
  • die Verpressgeschwindigkeit
  • die weitere Entwicklung der Außentemperatur (z. B. Frostgefahr nachts).

Baustellenerfahrungen

Die Einsatzgebiete von rheoment® haben sich in den vergangenen Jahren erheblich ausgedehnt. Konsequent erweitert sich die entwicklungsfördernde und weiterhin bedeutende Anwendung des Verpressens vertikaler Spannglieder in Spannbetontürmen von WEA. Darüber hinaus werden Spannglieder in Spannbetonsilos und Tankbehältern, in Spannbetonfertigteilen und Spannbetonbrücken sicher und qualitativ hochwertig verpresst.
Seit Jahrzehnten wird der zum Verpressen benötigte Einpresszement in Deutschland von den Bauunternehmen eingekauft und den Spannfirmen zur Verfügung gestellt. Diese steuern ihrerseits die benötigte, mengenmäßig vorkonfektionierte Einpresshilfe zur Herstellung des Einpressmörtels bei. Das führt immer wieder zu Problemen hinsichtlich der Wirksamkeit des Zusatzmittels auf den jeweiligen Zement und schlussendlich zu Störungen im Bauablauf.
Die Entscheidung für den Einkauf eines 1-Komponenten-Verpresssystems wird oftmals zu selten in der Baustellenplanung und -vorbereitung berücksichtigt und aus o. g. Gründen zu einem rein kaufmännischen Problem. Die von den Spannfirmen aber immer häufiger eingeforderten qualitativen Vorteile und die bereits stattfindende Umsetzung der Anforderungen der aktuellen europäischen Normung im angrenzenden Ausland fördern die Anwendung von rheoment® jedoch. Bei der Organisation sehr großer Bauvorhaben werden darüber hinaus bereits auch in Deutschland Spannfirmen selbst mit dem Einkauf und damit der Wahl des Einpresszementes betraut.
Der beim Einsatz herkömmlicher Zemente oft beobachtete erhebliche Viskositätsabfall bei Austritt der Suspension am Spannkanalende (besonders bei langen Spanngliedern und Spanngliedern mit hohem Litzenfüllgrad – zurückzuführen auf Filtrationseffekte beim Verpressvorgang – steht eine nahezu gleichbleibende Viskosität bei Einpressmörteln aus rheoment® gegenüber. Das Verpressen langer Spannkanäle wird nicht durch Entmischungen und dadurch verursachte Verstopfer oder Verpressblockaden erschwert. Das extrem minimierte Wasserabsetzen von Einpressmörteln aus rheoment® erhöht die Sicherheit des Korrosionsschutzes des Spannstahls und fördert das Verfüllen des Spannkanals ohne Fehlstellen. Ein zielsicheres Arbeiten ist dabei sowohl bei kühlen als auch bei sommerlich warmen Außentemperaturen möglich. Problemminimierungen dieser Art ziehen dabei immer auch wirtschaftliche Vorteile durch einen ungestörten und planmäßigen Bauablauf nach sich, von dem sowohl die Spannfirmen als auch die Bauunternehmen profitieren.
rheoment® kam und kommt sowohl bei bedeutenden Bauvorhaben der Bahn, an Straßen- und Autobahnbrücken sowie zahlreichen weiteren Bauvorhaben aus Spannbeton mit nachträglichem Verbund jeglicher Größe zum Einsatz (Bild 4, 5, 6). Beispielhaft genannt seien hier die Grümpental-, die Füllbachtal-, die Scherkondetal- und die Unstruttalbrücke sowie die Saale-Elster-Querung im Zuge der ICE-Neubaustrecke Ebensfeld-Leipzig, die Mainbrücke bei Randesacker (BAB A 3) und die Brücke über die Zwickauer Mulde im Zuge der BAB A 72 bei Penig. Weitere Bauvorhaben in Belgien, der Schweiz, in Tschechien, Polen, Österreich und Norwegen konnten bereits in Zusammenarbeit mit verschiedenen Bau- und Spannfirmen realisiert werden.

Zusammenfassung

Mit rheoment® stellt dornburger zement einen innovativen Einpresszement bereit, der im engen Qualitätsrahmen die Herstellung von Einpressmörtel für die Verpressung von Spannkanälen mit nachträglichem Verbund unter Einhaltung der aktuellen normativen und höchster technischer Anforderungen ermöglicht. Baupraktische Erfahrungen der unterschiedlichsten Art in diesem Segment liegen vor und fließen in die stoffliche Konzeption, in die Baustellenberatungen und in die anwendungstechnische Betreuung bei der Planung und Durchführung von Bauvorhaben ein. Somit steht für den komplexen Vorgang des Verpressens von Spannkanälen eine leistungsfähige Materialkomponente zur Verfügung, die unter Beachtung der aufgeführten Einflussfaktoren einen wichtigen Beitrag zur Sicherheit und optimalen Funktionalität von Spannbetonkonstruktionen mit nachträglichem Verbund leistet.

Dipl.-Ing. Stephan Mühlbach

Literatur

[1] Eidgenössisches Department für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation; Bundesamt für Straßen (Hrsg.): Spannglieder, Schrägseile und Anker – Beschreibung der Systeme und Erkenntnisse aus Korrosionsschäden. Bern 2005.
[2] DIN 4227-5:1979-12: Spannbeton, Einpressen von Zementmörtel in Spannkanäle.
[3] DIN EN 445, 446, 447, 1996-07: Einpressmörtel für Spannglieder.
[4] ETAG no 013, 2002: Richtlinie für die Europäisch Technische Zulassung von Spannsystemen für das Vorspannen von Tragwerken.
[5] Rostásy, Ferdinand S.; Gutsch, Alex-W.: Zuverlässigkeit des Verpressens von Spannkanälen unter Berücksichtigung der Unsicherheiten auf der Baustelle. Heft 476 des DafStb. Berlin 1997.

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    10.03.2016
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