Einfluss der Prüfkörpergeometrie auf die Ergebnisse von Druckfestigkeitsprüfungen an Ultrahochleistungsbeton

Forschungsschwerpunkt

Bemessen und Konstruieren mit Ultrahochleistungsbeton (UHPC)

Finanzierung und Laufzeit

Deutscher Ausschuss für Stahlbeton (DAfStb), Forschungsvorhaben V 497, Teilprojekt B
Laufzeit: Februar 2017 bis Januar 2018

Bearbeiter

Philipp Riedel, M.Sc.

Projektbeschreibung

Der Nachweis der Konformität ultrahochfester Betone (UHFB), die künftig in der im Entwurf befindlichen DAfStb-Richtlinie „Ultrahochfester Beton“ geregelt sein werden, erfordert Formfaktoren, die eine Umrechnung zwischen den an UHFB-Probekörpern unterschiedlicher Form und Größe erhaltenen Druckfestigkeiten erlauben. Bisher fehlten belastbare Versuchsergebnisse, auf deren Grundlage die Festlegung allgemeingültiger Formfaktoren zielsicher hätte erfolgen können. Daher wurde im Rahmen eines vom Deutschen Ausschuss für Stahlbeton geförderten Forschungsvorhabens der Einfluss der Probekörpergeometrie auf die Ergebnisse von Druckfestigkeitsprüfungen an normal-, hoch- und ultrahochfesten Betonen experimentell untersucht.

Das Versuchsprogramm umfasste insgesamt 8 Serien, davon eine Serie aus normalfestem Beton (NFB), eine Serie aus hochfestem Beton (HFB) und 6 Serien aus faserfreiem UHFB. Die mittleren Zylinderdruckfestigkeiten der einzelnen Serien betrugen zwischen ca. 30 N/mm² und 200 N/mm². Mit Größtkorndurchmessern D_max von 0,5 mm, 3 mm, 5 mm und 8 mm deckten die UHFB-Systeme den Anwendungsbereich der zukünftigen DAfStb-Richtlinie weitgehend ab.

Die experimentellen Arbeiten wurden unter Federführung des Lehrstuhls für Massivbau der Universität Siegen gemeinsam mit der Universität Kassel und der Hochschule RheinMain durchgeführt. Neben Zylindern mit h/d [mm] = 300/150 und Würfeln mit einer Kantenlänge d = 150 mm, anhand deren charakteristischer Druckfestigkeit die Klassifizierung von UHFB erfolgen soll, wurden – vor dem Hintergrund der begrenzten Höchstlasten der in der Praxis eingesetzten Prüfmaschinen – auch Zylinder mit h/d [mm] = 200/100 und Würfel mit einer Kantenlänge d = 100 mm untersucht.

Ergebnisse von Voruntersuchen zur Probenvorbereitung führten zur Entscheidung, bei HFB und UHFB auch die Lasteinleitungsflächen der Würfel zu schleifen, um die Streuung der Versuchsergebnisse zu minimieren. Dazu wurde eine spezielle Schleifprozedur, bestehend aus vier Schleifgängen, und eine spezielle Ebenheitsprüfung entwickelt, der alle Proben aus HFB und UHFB vor der Druck-festigkeitsprüfung unterzogen wurden. Zudem wurden die Probekörper aus UHFB bis zur Prüfung im Wasser gelagert.

In den Versuchen bestätigte sich, dass bei entsprechender Sorgfalt der Herstellung und Probenvorbereitung auch für faserfreien UHFB Ergebnisse mit geringer Streuung realisierbar sind. Für sechs Einzelwerte je Serie und Probekörpergeometrie lagen die Variationskoeffizienten der Druckfestigkeit zwischen 0,7 % und 3,0 %. In nur vier Fällen betrug die Standardabweichung über
4 N/mm². In nur einer Serie konnte das Ergebnis eines Probekörpertyps nicht in die Auswertung einbezogen werden, da die Standardabweichung den selbst gesetzten Grenzwert von 6 N/mm² überschritten hatte.

Bei der Bewertung der Versuchsergebnisse muss zwischen dem Einfluss der Probekörperschlankheit und dem Einfluss der Probekörpergröße unterschieden werden. Der Einfluss der Probekörperschlankheit nahm mit zunehmender Betondruckfestigkeit signifikant ab. So betrug das Verhältnis zwischen Zylinder- und Würfeldruckfestigkeit ca. 0,79 für Beton mit f_cm = 26,8 N/mm², 0,84 für Beton mit f_cm = 78,5 N/mm² und – mit ansteigender Festigkeit – zwischen 0,94 und 1,04 für UHFB. Der Einfluss der Probekörpergröße auf die Ergebnisse der Druckfestigkeitsprüfungen war hingegen unabhängig von der Betondruckfestigkeit nur gering. So wiesen die Probekörpern mit d = 150 mm in den einzelnen Serien im Mittel die 0,95- bis 1,02-fachen Druckfestigkeiten der Probekörpern mit d = 100 mm auf.

Auf Grundlage der Versuchsergebnisse kann eine Klassifizierung von UHFB in die Festigkeitsklassen C130/140, C150/155 und C175/180 empfohlen werden. Zur Umrechnung der in Konformitätsprüfungen an einem Probekörper mit d = 100 mm erzielten Prüfergebnisse auf den entsprechenden Probekörper mit d = 150 mm, wird eine Abminderung der gemessenen Druckfestigkeit um 5 N/mm² empfohlen.

Publikationen

LEUTBECHER, T.; RIEDEL, P., 2020. Compressive strength classes and performance classes of ultra-high-performance concrete (Part 2) | Druckfestigkeits- und Leistungsklassen für ultrahochfesten Beton (Teil 2). Betonwerk und Fertigteil-Technik/Concrete Plant and Precast Technology. 86(10), 46-53. ISSN 0373-4331

LEUTBECHER, T.; RIEDEL, P., 2020. Compressive strength classes and performance classes of ultra-high-performance concrete (Part 1) | Druckfestigkeits- und Leistungsklassen für ultrahochfesten Beton (Teil 1). Betonwerk und Fertigteil-Technik/Concrete Plant and Precast Technology. 86(9), 46-54. ISSN 0373-4331

LEUTBECHER, T., 2020. Klassifizierung von ultrahochfestem Beton: Hintergründe und Prüfverfahren. In: Kongressunterlagen 64. BetonTage: Betonbau der Zukunft. Neu-Ulm, 18.-21. Februar 2020. Betonwerk und Fertigteil-Technik/Concrete Plant and Precast Technology. 86(2), 72. ISSN 0373-4331

RIEDEL, P.; LEUTBECHER, T.; PIOTROWSKI, S.; HEESE, C., 2019. Ratios of Compressive Strengths of Ultra-High-Performance Concrete Specimens of Different Shapes and Sizes. ACI Materials Journal. 116(6), 139-149. ISSN 0889-325X. doi:10.14359/51716983

RIEDEL, P.; LEUTBECHER, T.; PIOTROWSKI, S.; HEESE, C., 2018. Einfluss der Probekörpergeometrie auf die Ergebnisse von Druckfestigkeitsprüfungen an ultrahochfestem Beton. Beton- und Stahlbetonbau. 113(8), 598-607. ISSN 0005-9900. doi:10.1002/best.201800027

LEUTBECHER, T.; RIEDEL, P., 2018. Einfluss der Prüfkörpergeometrie auf die Ergebnisse von Druckfestigkeitsprüfungen an ultrahochfestem Beton (UHFB) [PowerPoint-Präsentation]. Dreikönigstreffen 2018 der MPA Wiesbaden. Hochschule RheinMain, Wiesbaden, 16. Januar 2018.
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RIEDEL, P.; LEUTBECHER, T., 2017. Effect of specimen size on the compressive strength of ultra-high performance concrete. In: TOUTLEMONDE, F.; RESPLENDINO, J., eds. UHPFRC 2017, Design and Building with UHPFRC: New large-scale implementations, recent technical advances, experience and standards. Proceedings of the AFGC-ACI-fib-RILEM International Conference on Ultra-High Performance Fibre-Reinforced Concrete. Montpellier, France, October 2-4, 2017. Paris: RILEM Publications, Volume I, pp. 251-260. RILEM Proceedings PRO 106. ISBN 978-2-35158-166-7
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