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Tiefenabhängige Feuchte- und Temperaturmessungen an einer Brückenkappe der Expositionsklasse XF4

BASt-Bericht B 64

Wolfgang Brameshuber, Frank Spörel, Jürgen Warkus, RWTH Aachen, ibac - Institut für Bauforschung Aachen
29 Seiten
Erscheinungsjahr: 2008
Preis: 5,00 €

Bestellung eines gedruckten Exemplars beim Carl Schünemann Verlag GmbH

Im Rahmen der durchgeführten Untersuchungen war es das Ziel, Erkenntnisse zur zeitlichen Entwicklung des Wassergehaltes sowie der Temperaturbeanspruchung im Kappenbeton einer Brücke zu erhalten. Als Ansatz wurde die indirekte Bestimmung des Wassergehaltes über die Messung des tiefenabhängigen Elektrolytwiderstandes des Betons bei gleichzeitiger Messung der tiefenabhängigen Temperatur gewählt. Um einen Einblick in den zeitlich variablen Wassergehalt in Abhängigkeit der Umgebungsbedingungen zu erhalten, wurde eine kontinuierliche Datenaufzeichnung vorgesehen. Für diesen Zweck wurde die Brückenkappe einer bereits betriebenen Brückenüberführung über eine Autobahn bei Meschede nachträglich mit Multiring-Elektroden (MRE) und Temperatursensoren ausgerüstet. Die Messungen wurden etwa fünf Jahre nach Fertigstellung des Bauwerks begonnen und insgesamt über einen Zeitraum von dreieinhalb Jahren durchgeführt. Im Zuge eines weiteren, vom BMVBS geförderten Forschungsvorhabens wurde die Brücke mit drei Messpunkten im Bereich des Pfeilers beziehungsweise des Überbaus ausgerüstet (Expositionsklasse XF2).

Durch Kalibrierung wurde ein funktionaler Zusammenhang zwischen dem in der Brückenkappe gemessenen Elektrolytwiderstand und dem zugehörigen Wassergehalt beziehungsweise Sättigungsgrad des Betons bestimmt. Vor dem Hintergrund der Kalibriermethode, die auf Wassergehalten im Ausgleichszustand beruht, können Ungenauigkeiten in der Berechnung der Sättigungsgrade vorhanden sein. Eine mögliche Beeinflussung der Ergebnisse durch den verwendeten Ankopplungsmörtel ist prinzipiell denkbar.

Untersucht wurden die kurzzeitigen Schwankungen sowie die langfristige Entwicklung des Wassergehaltes. Die Größenordnung des Sättigungsgrades liegt im Beobachtungszeitraum zwischen der im Labor bestimmten Wassersättigung unter Atmosphärendruck des Betons und der hygroskopischen Sättigung, die sich nach Lagerung bei 95 % relativer Luftfeuchtigkeit einstellt. Zusammenhänge zwischen einem Anstieg des Sättigungsgrades und Witterungsbedingungen, die diesen Anstieg auslösen, konnten im Kappenbeton bis in eine Tiefe von 87 mm nicht festgestellt werden. Langfristig war in der obersten Messtiefe von 7 mm ein leichter Anstieg des Widerstandes feststellbar. Ein eindeutig tiefenabhängiges Profil liegt nicht vor, was auf einen gleichmäßigen Feuchtezustand in den betrachteten Betontiefen hindeutet. Eine Aufsättigung wurde im Beobachtungszeitraum von 3,5 Jahren nicht beobachtet. Allerdings muss berücksichtigt werden, dass die Messdatenerfassung erst in einem Abstand von etwa 7 mm von der Betonoberfläche beginnt. Über den Bereich bis zu dieser Tiefe kann daher keine Aussage getroffen werden. Die Beobachtungen vor Ort zeigen jedoch keinerlei Schädigung der Kappenoberfläche infolge des Frost-Tausalz-Angriffes. Bezogen auf die Wasseraufnahme unter Atmosphärendruck deuten die Ergebnisse auf insgesamt höhere Sättigungsgrade in der Brückenkappe in XF4 hin als bei den übrigen Messpunkten der Brücke in XF2. Die Absolutwerte sind jedoch aufgrund des bei der Brückenkappe verwendeten Luftporenbetons geringer.

Bei der Untersuchung der Temperaturbeanspruchung erfolgte eine Unterscheidung in Frost- und Eistage. Im Beobachtungszeitraum wurden in der Brückenkappe Minimaltemperaturen von bis zu 10 °C bei Auftreten eines Frost-Tau-Wechsels gemessen. An Eistagen mit Temperaturen dauerhaft unter 0 °C wurden vereinzelt auch Temperaturen bis 15 °C ermittelt. Über den Beobachtungszeitraum von dreieinhalb Wintern wurden im Betonrandbereich der Brückenkappe durchschnittlich etwa 60 Frosttage und in einer Tiefe von 90 mm etwa 50 Frosttage pro Jahr festgestellt. Dies sind etwa 10 bis 20 Tage mehr als an den Messpunkten im Pfeiler und Überbau der gleichen Brücke in XF2. Die Anzahl der Eistage belief sich unabhängig von der Betontiefe in der Brückenkappe auf etwa 35 pro Jahr. Die ermittelten Abkühl- und Auftauraten, die aus den stündlich vorliegenden Messwerten berechnet wurden, bewegen sich meist bei bis zu 1 K/h. Vereinzelt wurden Abkühl- und Auftauraten von bis zu 5 K/h ermittelt.

Bei der kombinierten Betrachtung der ermittelten Temperaturbeanspruchungen und der Sättigungsgrade ist die Frostbeanspruchung im Kappenbeton durch die künstlich eingeführten Luftporen vermutlich vergleichbar mit den übrigen Messpunkten dieser Brücke. Die erhöhte Anzahl an Frosttagen wird wahrscheinlich durch die Beeinflussung der Kappe durch Sonneneinstrahlung im Winter verursacht.

Depth-dependent humidity and temperature measurements on a bridge cap of exposure class XF4

Within the framework of the examinations conducted, the aim was to obtain findings regarding the temporal development of the water content as well as the thermal stress in the concrete of a bridge cap. The indirect determination of the water content by measuring the depth-dependent electrolyte resistance of the concrete while simultaneously measuring the depth-dependent temperature was chosen as an approach. To gain insight into the temporally variable water content, depending on the environmental conditions, a continuous data recording was provided. For this purpose, the bridge cap of an already trafficked crossover bridge over a highway near Meschede was subsequently equipped with multiring electrodes (MRE) and temperature sensors. The measurements were started about five years after completion of the building and conducted during a period of altogether three and a half years. In the course of a further research project funded by the Federal Ministry of Transport, Building and Urban Affairs, the bridge was also equipped with three further measuring points in the area of the pier and the superstructure respectively (exposure class XF 2).

By calibration, a functional relation between the electrolyte resistance measured at the building and the associated water content and saturation degree of the concrete respectively was determined. Against the background of the calibration method, which is based on balanced water contents, there may be inaccuracies in the calculation of the degrees of saturation. A possible influencing of the results by using the applied connecting mortar is possible in principle.

The short-time fluctuations as well as the long-term development of the water content were examined. During the monitoring period, the magnitude of the saturation degree lies between the water saturation of the concrete under atmospheric pressure determined in the laboratory and the hygroscopic saturation which occurs after storage at 95% relative humidity. Correlations between an increase in the degree of saturation and the weather conditions which cause this increase could not be discerned in the concrete of the bridge cap up to a depth of 87 mm. In the long run, a slight increase in the resistance could be discerned at the upper measuring depth of 7 mm. There is no definite depth-dependent profile, which hints at a constant state of humidity in the concrete depths under consideration. A saturation was not observed. However, it must be taken into account that the recording of the measuring data starts only at a distance of about 7 mm from the concrete surface. Therefore no statements can be made regarding the area up to this depth. The in situ observations, however, show no damage to the cap surface as a result of the freeze thaw attack. Related to the water absorption under atmospheric pressure, the results indicate altogether higher saturation degrees in the XF4 bridge cap than at the other measuring points of the bridge in XF2. The absolute values are, however, smaller due to the air-entrained concrete used at the bridge cap.

When examining the thermal stress, a difference was made between frost and ice days. During the observation period, minimum temperatures of up to 10 °C were measured in the bridge cap during a freeze-thaw cycle. On ice days with temperatures permanently below 0°C, temperatures as low as 15 °C were determined in individual cases. During the observation period of three and a half winters, an average of about 60 frost days per year were found in the concrete edge area of the bridge cap. At a depth of 90 mm, about 50 frost days per year were detected. This amounts to about 10 to 20 days more than on the measuring points in the pier and superstructure of the same bridge in XF2. Independently of the concrete depth in the bridge cap, the ice days amounted to about 35 per year. The freeze and thaw ratios determined, which were calculated from the data available by the hour, mostly range up to 1K/h. In individual cases, freeze and thaw ratios of up to 5K/h were detected.

When considering the thermal stresses and saturation degrees determined in combination, the frost stress in the concrete of the cap is, apart from the different frost and ice day ratios, presumably comparable to the other measuring points in this bridge, owing to the artificially entrained air voids. The increased number of frost days may be caused by the influence of the solar radiation on the measuring point in winter.

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    Die Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen stehen ab dem Jahrgang 2003 zum Teil als kostenfreier Download im elektronischen BASt-Archiv ELBA zur Verfügung.