Druckfestigkeits- und Leistungsklassen für ultrahochfesten Beton (Teil 1)

1 Einführung

Das Spektrum der in Deutschland durch DIN EN 206 [1] und DIN EN 1992-1-1 [2, 3] abgedeckten Normalbetone endet gegenwärtig mit der Druckfestigkeitsklasse C100/115. Die Eigenschaften und die Anwendung von Stahlfaserbeton wird in Deutschland durch die DAfStb-Richtlinie „Stahlfaserbeton“ [4] bis einschließlich zur Druckfestigkeitsklasse C50/60 geregelt. Die bautechnische Anwendung von (stahlfaserbewehrten) Betonen höherer Festigkeit erfordert aktuell eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung des Deutschen Instituts für Bautechnik (DIBt) oder eine Zustimmung im Einzelfall durch die zuständige Oberste Bauaufsicht. Davon betroffen ist auch ultrahochfester Beton (UHFB) [5], dessen Einsatz in Deutschland bislang nicht geregelt ist.

Mit der DAfStb-Richtlinie „Ultrahochfester Beton“ [6] wird nun die Erweiterung des Anwendungsbereichs von DIN EN 206 und DIN EN 1992-1-1 auf (stahlfaserbewehrte) Betone mit Druckfestigkeiten von deutlich über 100 N/mm² angestrebt. Neben der Druckfestigkeit ist die zentrische Nachrisszugfestigkeit die zweite bedeutende mechanische Kenngröße des stahlfaserbewehrten UHFB. Anhand dieser beiden Parameter wird eine Einordnung der Betone in Druckfestigkeits- und Leistungsklassen erfolgen. Der vorliegende Beitrag stellt die geplante Klassifizierung vor und berichtet über Hintergründe und Prüfverfahren.

2 Klassifizierung von ultrahochfestem Beton im Druckbereich

2.1 Einfluss der Probekörperschlankheit und -größe auf die Druckfestigkeit von faserfreiem UHFB

2.1.1 Probekörpergeometrien und Formfaktoren

Wie normalfester (NFB) und hochfester Beton (HFB) soll auch UHFB anhand der charakteristischen Druckfestigkeit von Zylindern mit h/d = 300 mm/150 mm nach 28 Tagen (f_ck,cyl) und der charakteristischen Druckfestigkeit von Würfeln mit d = 150 mm nach 28 Tagen (f_ck,cube) in Festigkeitsklassen eingeordnet werden. Allerdings ergeben sich an diesen Standardprobekörpern sehr hohe Bruchlasten, die von vielen in der Praxis eingesetzten Prüfmaschinen nicht erreicht werden. Dies begründet die Notwendigkeit, die Druckfestigkeit von UHFB bei Bedarf auch an Probekörpern mit d = 100 mm bestimmen zu dürfen.

Aus der Baustoffprüfung ist bekannt, dass Betondruckfestigkeitsprüfungen an Probekörpern unterschiedlicher Schlankheit und Größe unterschiedlich hohe Festigkeiten liefern. Beispielsweise beträgt für NFB die am Zylinder mit h/d = 300 mm/150 mm gemessene Druckfestigkeit nur rund 82 % der Druckfestigkeit eines Würfels mit d = 150 mm. Dieser wiederum erreicht typischerweise nur rund 92 % der Druckfestigkeit eines Würfels mit d = 100 mm. Die zunehmende Druckfestigkeit bei abnehmender Probekörperschlankheit kann in erster Linie auf die Querdehnungsbehinderung durch die steifen Lastplatten der Druckprüfmaschine und den daraus resultierenden dreiaxialen Druckspannungszustand in weiten Teilen des Probekörpers zurückgeführt werden. Der Einfluss der Probekörpergröße wird im Allgemeinen damit begründet, dass die Wahrscheinlichkeit von Schwachstellen im Gefüge mit zunehmendem Probekörpervolumen wächst.

2.1.2 Experimentelle Untersuchungen zur Bestimmung von Formfaktoren für faserfreien UHFB

Zur Frage, welchen Einfluss die Probekörpergeometrie auf die Druckfestigkeit von UHFB besitzt, wurden im Rahmen des DAfStb-Forschungsvorhabens V 497 umfangreiche Versuche durchgeführt, die in [7, 8] im Detail dargestellt sind. Das Versuchsprogramm beinhaltete insgesamt 8 Serien, davon eine Serie aus NFB, eine Serie aus HFB und 6 Serien aus UHFB mit unterschiedlichem Größtkorndurchmesser und Druckfestigkeiten f_cm,cyl150 zwischen rund 30 N/mm² und 200 N/mm² (Tabelle 1). Die Arbeiten fanden an drei verschiedenen Prüfinstituten (Siegen, Kassel, Wiesbaden) statt, um etwaige systematische Störeinflüsse auszuschließen. Die Einbeziehung von NFB und HFB sollte eine Anknüpfung an die für diese Betone aus der Literatur bekannten Umrechnungsfaktoren ermöglichen. Es wurden ausschließlich faserfreie Betone untersucht.

Die Druckfestigkeitsprüfungen erfolgten an Zylindern mit h/d = 300 mm/150 mm (Cyl150), Zylindern mit h/d = 200 mm/100 mm (Cyl100), Würfeln mit d = 100 mm (Cube100) und – bei ausreichender Kapazität der vorhandenen Prüfmaschine – auch an Würfeln mit d = 150 mm (Cube150). In jeder Serie waren 6 Probekörper je Probekörpergeometrie vorgesehen. Um die Streuungen bei der Druckfestigkeitsprüfung zu minimieren, wurden auch die Lasteinleitungsflächen der Würfel aus HFB und UHFB sorgfältig geschliffen und alle Probekörper aus UHFB bis zur Prüfung im Wasser gelagert.

2.1.3 Ergebnisse der Druckfestigkeitsprüfungen an faserfreiem UHFB

Abb. 1 zeigt die Ergebnisse der Druckfestigkeitsprüfungen. Die Säulenhöhe repräsentiert die an den einzelnen Probekörpertypen einer Serie bestimmten Mittelwerte der Druckfestigkeit f_cm. Der Fehlerindikator (schwarze Linie) markiert jeweils den Streubereich der Einzelergebnisse (Kleinst- und Größtwert der Druckfestigkeit). In den Säulen sind f_cm und der zugehörige Variationskoeffizient V angegeben.

Zur Veranschaulichung des Einflusses der Probekörperschlankheit auf die Druckfestigkeit stellt Abb. 2a die Verhältniswerte f_cm,cyl100/f_cm,cube100 der 8 Serien in Abhängigkeit der Zylinderdruckfestigkeit f_cm,cyl150 dar. Während die Zylinder aus NFB nur rund 78 % der Würfeldruckfestigkeit erreichen, steigt der Verhältniswert für HFB auf 84 %. Für Feinkorn- und Grobkorn-UHFB nähert sich das Verhältnis mit zunehmender Druckfestigkeit dem Wert 1,0.

Den Einfluss der Probekörpergröße auf die Druckfestigkeit zeigt Abb. 2b. Dort ist der Verhältniswert f_cm,cyl150/f_cm,cyl100 als Funktion der mittleren Zylinderdruckfestigkeit f_cm,cyl150 aufgetragen. Mit Verhältniswerten zwischen 0,95 und 1,02 unterscheiden sich f_cm,cyl150 und f_cm,cyl100 für alle untersuchten Betone gleichermaßen nur wenig.

Bei faserfreiem UHFB haben damit sowohl die Probekörperschlankheit als auch die Probekörpergröße nur wenig Einfluss auf das Ergebnis der Druckfestigkeitsprüfung.

2.2 Einfluss der Faserorientierung und des Fasergehalts auf die Druckfestigkeit von stahlfaserbewehrtem UHFB

2.2.1 Anisotropie bei Faserbeton

Vom Einfluss der Probekörperschlankheit und -größe zu trennen sind Auswirkungen auf die Druckfestigkeit, die bei faserbewehrtem Beton durch die Faserorientierung hervorgerufen werden können. Abhängig von der Geometrie der Probe, dem Fließverhalten des Frischbetons und der Herstellmethodik können sich in Probekörpern und Bauteilen (lokal) sehr unterschiedliche Faserorientierungen einstellen [9, 10]. Der Faserbeton verhält sich in der Folge nicht mehr isotrop, sondern zeigt je nach Beanspruchungsrichtung ein unterschiedliches Zug- und Drucktragverhalten [11, 12]. Für UHFB ist dieser Aspekt von besonderer Relevanz, da UHFB in der Anwendung meist hohe Fasergehalte aufweist.

Wie verschiedene Faserorientierungen und Fasergehalte das Drucktragverhalten von UHFB beeinflussen, wurde im Rahmen des DAfStb-Forschungsvorhabens V 501 eingehend untersucht [13]. Mit Blick auf die Klassifizierung von stahlfaserbewehrtem UHFB sollte geklärt werden, wie die in der Baustoffprüfung an Standardprobekörpern mit unterschiedlicher Faserorientierung erhaltenen Druckfestigkeiten zu bewerten sind. Da Bauteile herstellungsbedingt eine noch stärker gerichtete Faserorientierung aufweisen können als die Standardprobekörper (z. B. überwiegend unidirektionale Faserorientierung in der Biegedruckzone eines Balkens), sollte zudem die Übertragbarkeit der Ergebnisse von Baustoffprüfungen auf diese Art von Bauteilen überprüft werden.

2.2.2 Experimentelle Untersuchungen an stahlfaserbewehrtem UHFB

Das Versuchsprogramm umfasste fünf Serien mit Druckfestigkeitsprüfungen an Zylindern mit h/d = 200 mm/100 mm und Würfeln mit d = 100 mm aus stahlfaserbewehrtem UHFB. Tabelle 2 gibt einen Überblick über die untersuchten UHFB-Konfigurationen. Bei Serie 1A handelt es sich um eine Wiederholung der Serie 1, die der Absicherung der Ergebnisse diente. Da mit steigendem Fasergehalt grundsätzlich eine stärkere Anisotropie erwartet werden kann [12], konzentrierte sich die Studie auf Fasergehalt ρ_f  zwischen 1,5 und 3,5 Vol.-%. Zudem wurden der Größtkorndurchmesser der Gesteinskörnung D_max und die Faserlänge l_f innerhalb des für UHFB typischen Wertebereichs variiert.

Je Serie wurden neun Zylinder (Cyl) und 12 Würfel (Cube A) in Standardschalungen sowie drei Balken mit l/b/h = 750 mm/100 mm/100 mm betoniert (Abb. 3). Das Befüllen der Balkenschalungen erfolgte von einem Schalungsende aus, um eine Ausrichtung der Fasern in Balkenlängsrichtung zu provozieren. Aus dem mittleren Bereich der Balken wurden jeweils vier Würfel mit einer Kantenlänge von rund d = 100 mm herausgesägt, sodass weitere 12 Würfel (Cube B) je Serie für Druckfestigkeitsprüfungen zur Verfügung standen. Die Zylinder sowie 6 der in Standardschalung hergestellten Würfel (Cube A1) und 6 der aus Balken herausgesägten Würfel (Cube B1) wurden in Betonierrichtung belastet. Die übrigen Würfel (Cube A2 und Cube B2) wurden senkrecht zur Betonierrichtung geprüft. Abb. 4 zeigt die Belastungsrichtung für die vier Gruppen der Würfel und veranschaulicht qualitativ die Ausrichtung der Fasern.

2.2.3 Auswertung der Faserorientierung

Die Auswertung der Faserorientierung erfolgte mithilfe eines optoanalytischen Verfahrens [14]. Die hierfür eingesetzte Analyse-Software FiDiOr ermittelt auf Basis hochauflösender kontrastreicher Fotoaufnahmen polierter Schnittflächen für jede Faser deren Lage in einem kartesischen Koordinatensystem und deren Orientierung. Die Faserorientierung wird durch den sogenannten Faserorientierungsbeiwert charakterisiert. Dieser entspricht dem Cosinus des Winkels zwischen der Achsrichtung der Faser und der Normalenrichtung der Schnittebene und wird beim optoanalytischen Verfahren aus dem Verhältnis der Länge der kleineren Ellipsenhauptachse (Faserdurchmesser) zur Länge der größeren Ellipsenhauptachse einer in der Schnittfläche detektierten Faser ermittelt. Der Faserorientierungswert kann Werte zwischen 0 (Orientierung der Faser in der Schnittebene) und 1 (Orientierung der Faser normal zur Schnittebene) annehmen.

Für die Balkenquerschnitte (Scheiben für die optische Analyse in Abb. 3) ergab die Auswertung des mittleren Faserorientierungsbeiwerts h_v nach [15] Werte zwischen 0,662 (Grobkorn-UHFB) und 0,758 (Feinkorn-UHFB). Dies bestätigt die bevorzugte Ausrichtung der Fasern in Fließrichtung des Frischbetons. Abb. 5 zeigt exemplarisch die für die Auswertung bearbeitete Aufnahme der polierten Querschnittsfläche eines Balkens der Serie 1 (links) sowie die dafür bestimmte Verteilung der Faserorientierung (rechts).

Die in Standardschalung hergestellten Probekörper wiesen Faserorientierungsbeiwerte h_v von im Mittel 0,466 in Betonierrichtung und 0,552 senkrecht dazu auf, was auf eine bevorzugte Orientierung der Fasern in der Ebene senkrecht zur Betonierrichtung schließen lässt. Die Anisotropie ist bei diesen Probekörpern allerdings weniger stark ausgeprägt als bei den Balken. Zu ähnlichen Erkenntnissen führte die Anwendung eines zerstörungsfreien Induktionsmessverfahrens [16], mit dessen Hilfe an den verschiedenen Probekörpern die mittlere anteilige Ausrichtung der Fasern in den drei Raumrichtungen bestimmt werden kann. Die Ergebnisse beider Messverfahren sind detailliert in [13] dargestellt.

2.2.4 Ergebnisse der Druckfestigkeitsprüfungen an stahlfaserbewehrtem UHFB

Das Schleifen der Lasteinleitungsflächen und die Wasserlagerung erfolgten wie für die faserfreien UHFB-Probekörper. Die Ergebnisse der Druckfestigkeitsprüfungen sind in Abb. 6 dargestellt. Die Säulenhöhe repräsentiert den Mittelwert der Druckfestigkeit f_cm des jeweiligen Probekörpertyps. In den einzelnen Säulen sind f_cm und der zugehörige Variationskoeffizient V angegeben. Der Fehlerindikator (schwarze Linie) markiert jeweils den Streubereich der Einzelergebnisse (Kleinst- und Größtwert der Druckfestigkeit).

Bei Feinkorn-UHFB (Serien 1, 1A und 2) weisen die Zylinder die niedrigste Druckfestigkeit auf. Dagegen besitzen die Zylinder bei Grobkorn-UHFB (Serien 3 und 4) etwas höhere Druckfestigkeiten als die Würfel Cube B2. Die in Standardschalung hergestellten und, wie üblich, senkrecht zur Einfüllrichtung geprüften Würfel Cube A2 ordnen sich für alle Serien zwischen den aus Balken herausgesägten Würfeln Cube B1 und B2 ein, die eine stärker gerichtete Faserorientierung als die geschalten Probekörper besitzen. Die Druckfestigkeiten der in Standardschalung hergestellten und in Einfüllrichtung geprüften Würfel Cube A1 lassen keine eindeutige Systematik erkennen.

In Abb. 7 sind die Mittelwerte der Druckfestigkeiten verschiedener Probekörpertypen aus Abb. 6 ins Verhältnis gesetzt und in Abhängigkeit des Fasergehalts ρ_f dargestellt. Die Ergebnisse der Serien 1 und 1A wurden hierzu gemittelt. Den Wert 0,99 für faserfreien UHFB erhält man durch Mittelung der Verhältniswerte der vier Serien 4, 5, 7 und 8 aus Abb. 2a, in denen bei ähnlichen Grundrezepturen Zylinderdruckfestigkeiten f_cm,cyl150 zwischen rund 160 und 200 N/mm² erzielt wurden.

Während bei faserfreiem UHFB im Mittel praktisch kein Unterschied zwischen der Druckfestigkeit von Probekörpern der Schlankheit 1,0 und der Druckfestigkeit von Probekörpern der Schlankheit 2,0 festzustellen war, gewinnt der Einfluss der Schlankheit bei stahlfaserbewehrtem UHFB mit zunehmendem Fasergehalt an Bedeutung. In Abb. 7 wird dieser Trend durch die gestrichelten Linien verdeutlicht, welche die Datenpunkte verbinden, und die bei gedanklicher Verlängerung die Ordinate in etwa auf dem Niveau von faserfreiem UHFB schneiden. Unterschiedliche Steigungen der einzelnen Linien zeigen, dass der Einfluss des Fasergehalts bei Grobkorn-UHFB stärker ausgeprägt ist.

Die unterschiedliche Entwicklung der Verhältniswerte Cyl/Cube A2, Cyl/Cube B1 und Cyl/Cube B2 in Abhängigkeit des Fasergehalts ist offensichtlich auf die unterschiedliche Orientierung der Fasern in den verschiedenen Probekörpern zurückzuführen. Der Einfluss des Fasergehalts ist dann besonders stark ausgeprägt, wenn die Fasern vorwiegend senkrecht zur Belastungsrichtung ausgerichtet sind (Cube B1). Dagegen wird der Bruch bei den Würfeln Cube B2 infolge der überwiegend in Belastungsrichtung orientierten Fasern nicht effektiv behindert. Dies führt dazu, dass die Würfel Cube B2 im Fall von Grobkorn-UHFB sogar etwas niedrigere Druckfestigkeiten aufweisen als die Zylinder mit „günstiger“ Faserorientierung.

2.3 Schlussfolgerungen für die Klassifizierung von (stahlfaserbewehrtem) UHFB im Druckbereich

Während sich Zylinder- und Würfeldruckfestigkeit bei faserfreiem UHFB nur unwesentlich unterscheiden, ergaben sich für UHFB mit sehr hohem Fasergehalt Druckfestigkeitsdifferenzen zwischen Zylindern und in Standardschalung hergestellten Würfeln von bis zu 13 N/mm². Auf Basis dieses Ergebnisses kann für UHFB die bei Prüfung am Würfel zu erbringende Druckfestigkeit konservativ mit f_ck,cube = f_ck,cyl + 15 N/mm² festgelegt werden. Ausgehend von charakteristischen Zylinderdruckfestigkeiten f_ck,cyl von 130 N/mm², 150 N/mm² und 175 N/mm², die sich an der französischen Norm NF P18-470 [17] orientieren, sind im Entwurf der DAfStb-Richtlinie „Ultrahochfester Beton“ die Betonfestigkeitsklassen C130/145, C150/165 und C175/190 vorgesehen.

Da der tatsächliche Unterschied zwischen Zylinder- und Würfeldruckfestigkeit vom Fasergehalt abhängt, kann es insbesondere bei niedrigen Fasergehalten wirtschaftlich sein, die Druckfestigkeitsprüfung am Zylinder durchzuführen. In jedem Fall sollten die Lasteinleitungsflächen der Probekörper sehr sorgfältig geschliffen werden. Dies wird im Zweifel auch für die Würfel empfohlen. Um Streuungen der Prüfergebnisse zu minimieren, ist es zudem notwendig, die Probekörper – anders als in Deutschland üblich – nach dem Entfernen aus der Schalung bis zum Prüfbeginn in Wasser zu lagern.

Kommen im Rahmen von Konformitätsprüfungen Probekörper mit d = 100 mm zum Einsatz, wird für die Umrechnung auf den entsprechenden Referenzprobekörper mit d = 150 mm eine Abminderung der gemessenen Druckfestigkeit um 5 N/mm² empfohlen. Diese Empfehlung basiert auf den Ergebnissen aus Abb. 1 und Abb. 2b, und trägt dem insgesamt nur geringen Einfluss der Probekörpergröße auf die Druckfestigkeit ausreichend Rechnung.

Herstellungsbedingt kann die durch die Faserorientierung hervorgerufene Anisotropie in Bauteilen oder Bauteilbereichen deutlich stärker ausgeprägt sein als in den Standardprobekörpern der Baustoffprüfung. Je nach Belastungsrichtung unterschieden sich die Druckfestigkeiten der aus Balken herausgesägten Würfel bei Feinkorn-UHFB um bis zu 8 % bzw. rund 15 N/mm² und bei Grobkorn-UHFB um bis zu 14 % bzw. 26 N/mm². Dabei erwies sich eine vorherrschend unidirektionale Ausrichtung der Fasern in Richtung der Druckbeanspruchung als der kritische Fall. Die so orientierten Fasern nehmen kaum Einfluss auf den Bruchprozess. Daher unterscheidet sich die Druckfestigkeit dieser Würfel – unabhängig vom Fasergehalt – kaum von der Zylinderdruckfestigkeit (vgl. Verhältniswerte Cyl/Cube B2 in Abb. 7). Eine besondere Abminderung der Zylinderdruckfestigkeit zur Berücksichtigung einer „ungünstigen“ Faserorientierung in Bauteilen erscheint vor diesem Hintergrund verzichtbar. Somit stellt die Zylinderdruckfestigkeit für alle Bauteilbereiche, insbesondere solche mit einer vorherrschend unidirektionalen Ausrichtung der Fasern senkrecht zur Richtung der Druckbeanspruchung, eine konservative Abschätzung der einaxialen Betondruckfestigkeit dar.