Der Beginn einer neuen Betonära

STRASSE UND VERKEHR NR. 5, MAI 2015
ROUTE ET TRAFIC No 5, MAI 2015
DE
ETH-Spin-off lanciert betontechnologische Weltpremiere
Der Beginn einer neuen Betonära
Autobahnen und Flugverkehrsflächen sind einer stark zunehmenden Auslastung ausgesetzt.
Aufgrund des grossen Erneuerungsstaus der Verkehrsinfrastruktur in Europa muss in den
nächsten 10 Jahren ein grosser Anteil erneuert werden. Infolge der hohen Auslastung kann die
Instandsetzung vielerorts nur in kurzen Nachtetappen erfolgen. Ein neu entwickeltes Einbau
verfahren, bei welchem ein Schweizer Hochleistungs-Schnellbeton mit einem Gleitschalungs
fertiger eingebaut wird, bietet eine interessante Alternative zu Niedrigtemperaturasphalt. Diese
neue Technologie wurde nun erstmals im Rahmen einer Pilotapplikation erfolgreich eingesetzt.
Das Verkehrswachstum auf
VON
Schweizer Strassen ist al
PATRICK STÄHLI
leine im Jahr 2014 um 1,7 %
Dr. Dipl. Bau-Ing. ETH,
Vertriebsleiter von
gestiegen[1]. Ähnlich verhält
Concretum Construction
es sich bei den Flugbewe
Science AG, Zürich
gungen auf den Schweizer
Flughäfen. Ein Trend, der
schon lange anhält und unter anderem auf das kontinuierliche
Bevölkerungswachstum und das gesteigerte Mobilitätsbe
dürfnis zurückzuführen ist. Die Fahrbahnen und Flugpisten
werden stärker belastet, und es entstehen immer häufiger
Schäden an der Oberfläche. Für die Reparatur und den Ersatz
solcher Verkehrsflächen können diese aber kaum mehr für
längere Zeit ausser Betrieb genommen werden, sondern müs
sen in kurzen Nachtzeitfenstern oder allenfalls an verkehrs
armen Wochenenden instand gesetzt werden.
Das Phänomen kann aber nicht nur in der Schweiz beobachtet
werden, auch das umliegende Europa ist zum Teil stark be
troffen. In Deutschland und Österreich zum Beispiel stossen
immer mehr Autobahnen in den Ballungsgebieten an ihre
Kapazitätsgrenzen. Der Platzbedarf für Neubauten und Um
fahrungsstrassen ist aber begrenzt. Die bestehende Verkehrs
infrastruktur kann, ohne ein Verkehrschaos zu verursachen,
für die dringend notwendigen Instandsetzungsmassnahmen
nicht mehr ausser Betrieb genommen oder massgeblich einge
schränkt werden. Sie muss möglichst unter laufendem Betrieb
saniert und allenfalls erweitert werden.
Dies ist ebenso im Flugverkehr zu beobachten. Hier stehen
mittlerweile Flugverkehrsflächen unter Dauereinsatz, Pisten
sperrungen während des Tages sind auf vielen europäischen
Flughäfen praktisch nicht möglich oder verursachen enorme
Kosten seitens der Flughafenbetreiber.
Die Erwartungen der Wirtschaft und der Bevölkerung, die
stetig wachsende Belastung und die laufend zunehmende
Auslastung der Verkehrsinfrastruktur verlangen nach neuen
Lösungen.
Schnellbeton verkürzt Bauzeiten erheblich
Verkehrsflächen und Deckbeläge aus Asphalt können durch
den Einsatz von schnell auskühlendem Niedrigtemperatur
asphalt bereits heute innert kürzester Zeit grossflächig er
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FACHARTIKEL ARTICLES TECHNIQUES
neuert werden. Verkehrs
flächen aus Beton konnten
B.Eng. Projektmanagebisher aber nur mit grösse
ment/Bau, Projektingenieur
Spezialbeton bei der
ren Beeinträchtigungen des
Concretum Construction
Betriebes saniert werden,
Science AG, Zürich
da Beton mindestens zwei
bis drei Tage benötigt, bis er
wieder belastet werden kann. Lediglich für Kleinflächen und
für den Ersatz einzelner Platten werden seit mehr als zehn
Jahren (zum Teil extrem teure) Schnellbetonsysteme einge
setzt. Eine kostengünstige Schnellbetontechnologie für den
Einsatz mit dem Gleitschalungsfertiger, der ähnliche Einbau
leistungen wie beim Niedrigtemperaturasphalt ermöglicht,
war bis anhin auf dem Markt nicht erhältlich.
VON
NABIL EL AMRANI
Lösung mit Schweizer Know-how
Der ehemalige Schweizer ETH-Spin-off Concretum aus Zürich,
Entwickler und Produzent von Spezialhochleistungsbetonen,
präsentiert nun erstmals eine Schnellbetonlösung, welche
für die enorm hohen Anforderungen bei der Erneuerung von
Betondecken geeignet ist. Bei der Entwicklung der neuen
Schnellbetontechnologie sollten folgende Anforderungen be
dingungslos erfüllt werden:
• v erarbeitbar wie ein normaler Beton im Temperatur
bereich von 5 bis 35 °C, mit einer einstellbaren Offenzeit
von bis zu 120 Minuten
• Konsistenz variabel einstellbar, sodass der Beton je nach
Randbedingungen z.B. gepumpt oder mit einem Gleit
schalungsfertiger verarbeitet werden kann
• 90 Minuten nach Erhärtungsbeginn voll belastbar
• Dauerhaftigkeit (insbesondere Schwindrissneigung
und Hydratationswärmeentwicklung) vergleichbar oder
besser als bei Normalbeton
Der neu entwickelte Schnellbeton wird seit 2006 erfolg
reich für Kleinflächensanierungen und Einzelplattenersatz
auf Autobahnen und Flughäfen eingesetzt. Aber auch die
SBB setzt den Schnellbeton häufig bei der Sanierung oder
bei der Erweiterung von Kunstbauten und Tunnels erfolg
reich ein.
1 | 50 m Versuchsstrecke Bauhof ÖBA Graz/AT. Hinten: Einbau des Schnellbetons mit dem Gleitschalungsfertiger. Vorne: Erstellen der Waschbetonoberfläche mittels Bürsten (Foto: Concretum AG).
1 | Tronçon expérimental de 50 m au dépôt ÖBA à Graz/Autriche. À l’arrière-plan: mise en œuvre de béton à prise rapide avec une machine à coffrage glissant.
Au premier plan: réalisation d’une souche en béton lavé par brossage (photo: Concretum AG).
Abb. 2: Ausgewählte Werkstoffeigenschaften im Vergleich
Schnellbeton (Concretum)
Normalbeton
Niedrigtemperaturasphalt
• hohe Dauerhaftigkeit
• sehr hohe Endfestigkeit
• extrem schnelle Festigkeits
entwicklung (>20 MPa 90 Minuten
nach Ende der Offenzeit)
• extrem schnelle Entfeuchtung
(< 4,0 CM-% nach 3 bis 4 h)
• Offenzeit einstellbar (60 bis 120 min)
• pumpbar bis standfest
• tiefes Schwindmass (< 0,2 ‰)
• Temperaturbereich 5–35 °C
• regelmässiger Fugenunterhalt
• hohe Dauerhaftigkeit
• langsame Aushärtung/nach 2 bis 7 Tagen
befahrbar
• hohe Endfestigkeit
• pumpbar bis standfest
• Offenzeit einstellbar
• regelmässiger Fugenunterhalt
•
•
•
•
Vergleich: Schnellbeton oder
Niedrigtemperaturasphalt?
Wenn eine Tagessperrung nicht möglich oder nicht erwünscht
ist, werden heute grosse Verkehrsflächen praktisch aus
nahmslos mit Niedrigtemperaturasphalt saniert und ersetzt.
So werden auf einigen europäischen Flughäfen sogar Beton
pisten streifenweise mit Asphalt repariert, da bisher kein auf
Beton basierendes Verfahren bekannt war.
Im direkten Vergleich zum Niedrigtemperaturasphalt verhält
sich der Schnellbeton nahezu wie ein normaler Beton (Abb. 2).
mittlere Dauerhaftigkeit
anfällig für Spurrinnenbildung
mehrschichtiger Aufbau
nahezu fugenlos fugenlos (Fugen nur
am Übergang zum umgebenden Beton)
• hoher Verschleiss (ungewollter Abtrag)
bei Entfernung des Touch-DownGummiabriebs
• befahrbar nach Erreichung einer
Temperatur von 70 °C/(Mischtemperatur: 100 °C–120 °C), ca. nach 180 min[2]
• regelmässige Erneuerung des Deck
belags
Es ist einzig und allein die extrem schnelle Erhärtung, die
den markanten Unterschied ausmacht. Hinsichtlich der Ver
arbeitbarkeit steht der Schnellbeton herkömmlichem Beton
in nichts nach und ist damit bei verschiedensten Einsatzbe
reichen anwendbar.
Es wurden grosse Anstrengungen unternommen, um einen
Schnellbeton zu entwickeln, welcher bezüglich Dauerhaftig
keit keine Nachteile gegenüber Normalbeton aufweist. Insbe
sondere das Schwinden und die Hydratationswärmeentwick
lung mussten stark optimiert werden, damit eine geringe
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Rissneigung und eine hohe Dichtigkeit gewährleistet werden
können. Diese Technologie ist nicht mehr vergleichbar mit
den bisher bekannten Schnellbetonsystemen, die infolge
hoher Hydratationswärme und ausgeprägtem Schwinden
stark rissanfällig sind.
rungsmitteln zwischen 60 und 120 Minuten präzise für die
jeweiligen Anforderungen eingestellt werden.
Bereits nach einer Stunde und knapp 30 m zurückgelegtem
Weg konnten die Oberflächenbehandlung (Waschbetonober
fläche durch Bürsten) und der Fugenschnitt am Anfang der
fertigen Fahrbahn durchgeführt werden (Abb. 1). 60 Minuten
nach Erhärtungsbeginn wies der Beton auf der Fahrbahn be
reits eine Druckfestigkeit von knapp 20 MPa auf, womit er
problemlos befahren werden kann.
Knapp zwei Stunden nach Produktion der ersten Betoncharge
war die Versuchsstrecke (50 x 4,5 x 0,3 m) fertiggestellt und
wäre bereit gewesen, dem Verkehr übergeben zu werden.
Versuchsstrecke in Graz: SchnellbetonEinbau mittels Gleitschalungsfertiger
In enger Zusammenarbeit mit auf Betonbelagsbau speziali
sierten, international tätigen Bauunternehmungen wurde ein
neues Einbauverfahren entwickelt. Am 12. Mai 2015 wurde in
Graz im Rahmen eines Demonstrationsversuches vermutlich
als Weltpremiere erstmals Schnellbeton mit einem Gleitscha
lungsfertiger eingebaut.
Die Herstellung des Betons erfolgte in einem herkömmlichen
Transportbetonwerk. Dort wurde der Beton in einzelnen
Chargen gemischt und mit Muldenkippern zum Einbauort
transportiert. Der Beton wurde mit einer Konsistenz produ
ziert, die für den Gleitschalungsfertiger geeignet ist. Dazu
ist eine hohe Standfestigkeit bei gleichzeitig guter Verdicht
barkeit erforderlich. Vor und während des Einbaus wurden
laufend die relevanten Frischbetoneigenschaften gemessen,
so unter anderem auch die Temperatur in der Betonplatte
(Abb. 3 unten).
Der Schnellbeton wurde aufgrund der Transportdistanzen
und der zur Verfügung stehenden Einbaugerätschaft so ein
gestellt, dass eine Offenzeit von 60 Minuten gewährleistet
war. Diese kann durch gezielte Zugabe von Abbindeverzöge
Pilotprojekt auf der Autobahn A2 bei Graz
Bereits in der darauffolgenden Nacht wurde das neue Ein
bauverfahren unter «scharfen» Bedingungen auf der Auto
bahn A2 auf dem Teilstück bei Feldkirchen bei Graz ange
wendet. Um 21:30 wurde der rechte Fahrstreifen gesperrt
und mit dem Ausbruch (Fräsen) der alten, beschädigten
Fahrbahn begonnen. Um 23:15 startete die Betonproduk
tion in einem 10 km entfernten Transportbetonwerk. Der
Gleitschalungsfertiger nahm um 23:30 seine Arbeit auf
(Abb. 4), und bereits um 01:00 war ein 50 m langer und 3,5 m
breiter Autobahnfahrstreifen fertig betoniert und mit einem
sauberen Besenstrich versehen (Deckenstärke 30 cm). Nach
dem Fugenschnitt um 02:30 konnte der Abschnitt pünktlich
um 05:00 dem morgendlichen Berufsverkehr übergeben
werden (Abb. 5).
Abb. 3: Temperaturverlauf in der Platte in den ersten 24 Stunden
45
40
35
45
40
25
20
Plattenoberfläche
30
15
10
5
Plattenmitte
25
Plattenunterkante
Luft
Plattenoberfläche
20
Plattenmitte
15
Plattenunterkante
10
5
0
0
2
4
-5
38
Luft
35
Temperatur [°C]
Temperatur [°C]
30
FACHARTIKEL ARTICLES TECHNIQUES
6
8
0
0
-5
10
2
4
12
6
14
8
16
Zeit ab Einbau [h]
10
12
18
14
Zeit ab Einbau [h]
20
16
22
18
20
24
22
24
4 | Einbau Schnellbeton mit dem Gleitschalungsfertiger auf der Autobahn A2 bei Graz (Foto: Concretum AG).
4 | Mise en œuvre de béton à prise rapide avec une machine à coffrage glissant sur l’autoroute A2, près de Graz (photo: Concretum AG).
Mit diesem Pilotprojekt konnte eindrücklich gezeigt werden,
dass der innovative Schweizer Schnellbeton ideal geeignet ist,
grosse Etappen von Betonverkehrsflächen in kurzen Zeitfens
tern mit Gleitschalungsfertigern auszuführen. Damit wurde
im Verkehrswegebau ein betontechnologischer Meilenstein
erreicht.
Einsatz auf Flugpisten
Internationale Flughäfen wie z.B. der Flughafen Zürich oder
der Flughafen Frankfurt haben heute einen derart hohen
Auslastungsgrad, dass einzelne Flugpisten und Rollwege
FR
Abb. 5: Bauprogramm Autobahn A2 bei Graz
21:30
22:00
23:15
23:30
01:00
02:30
04:00
05:00
Sperrung rechter Fahrstreifen
Beginn Ausbrucharbeiten
Beginn Betonproduktion
Beginn Einbau
Ende Einbau
Beginn Fugenschnitt
Arbeitsende, Räumen der Fahrbahn
Fahrbahnübergabe an Verkehr
Le début d’une nouvelle période de bétonnage
Les autoroutes et les surfaces aéroportuaires sont
soumises à une charge de trafic en forte croissance.
La réfection des infrastructures de transport ayant pris
un retard important, une grande partie de ces travaux
doit être réalisée ces 10 prochaines années en Europe.
Mais dans de nombreux endroits, elle ne pourra l’être
que par courtes étapes, de nuit, en raison de l’impor
tance du trafic. Un tout nouveau procédé de mise en
œuvre offre une alternative intéressante aux enrobés
tièdes: un béton hautes performances suisse, à prise
rapide, qui est posé au moyen d’une machine à coffrage
glissant. Pour la première fois, cette nouvelle techno
logie a été utilisée avec succès dans le cadre d’une
application-pilote.
FACHARTIKEL ARTICLES TECHNIQUES
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ROUTE ET TRAFIC No 5, MAI 2015
6 | Plattenersatz mit Schnellbeton auf dem Flughafen Frankfurt im Juli 2014 (Foto: Concretum AG).
6 | Remplacement de plaques avec du béton à prise rapide sur l’aéroport de Francfort en juillet 2014 (photo: Concretum AG).
während des Tages nicht gesperrt werden können. Aufgrund
der hohen Punktlasten und Querkräfte, die durch die grossen
Verkehrsflugzeuge erzeugt werden, ist Beton als Baustoff
deutlich dauerhafter als Asphalt. Bisherige Schnellbeton
lösungen scheiterten aber an der hohen Rissanfälligkeit in
folge Schwinden und Abbindewärme, an den beschränkten
Einbaumöglichkeiten sowie am zu hohen Preis. Mit der in
Graz präsentierten neuen Technologie können diese Kritik
punkte allesamt ausgeräumt werden. Damit steht den Flug
hafenbetreibern in Zukunft eine geeignete Alternative zur In
standsetzung mit Niedrigtemperaturasphalt zur Verfügung.
Fazit und Ausblick
Mehrere europäische Flughafenbetreiber sind am neuen Bau
verfahren interessiert. Dieses würde ihnen ermöglichen, die
stark beschädigten Bereiche ihrer Flugpisten und Rollwege
während den kurzen verkehrsfreien Nachtzeitfenstern zu sa
nieren. Dabei müssen sie nicht mehr auf Asphalt ausweichen,
sondern können Betonpisten mit Beton instand setzen, der
sich im Vergleich zu Asphalt durch eine bedeutend höhere
Festigkeit und damit eine um ein Mehrfaches höhere Lebens
dauer auszeichnet.
Bezüglich Baukosten kann davon ausgegangen werden, dass
die neue Schnellbetonlösung mit einer Instandsetzung mit
Asphalt vergleichbar ist. Bezüglich Unterhalts- und damit
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FACHARTIKEL ARTICLES TECHNIQUES
Lebenszykluskosten kann das Schnellbetonkonzept vor allem
auf Flugverkehrsflächen, aber auch auf stark belasteten Auto
bahnen, der Asphaltlösung sogar überlegen sein.
Bauunternehmen, die das Schnellbetonkonzept kennen oder
bereits einsetzen, gehen davon aus, dass Einbauleistungen
von 1000 m2 und mehr pro Nacht möglich sein werden. Noch
aber müssen viele praktische Fragestellungen, vor allem im
Bereich Materiallogistik und Gerätschaften, beantwortet wer
den, bevor die Technologie tatsächlich in diesem Massstab
verbreitet eingesetzt werden kann.
Eines konnte aber mit dem Demoversuch in Graz gezeigt wer
den: Der Einbau eines explizit für diesen Einsatz optimierten
Schnellbetons mit einem Gleitschalungsfertiger ist verfah
renstechnisch problemlos möglich und eröffnet im Bereich
der Betonverkehrsflächensanierung ganz neue Perspektiven.
Quellen
[1] Anhaltendes Verkehrswachstum auf dem Schweizer Nationalstrassennetz,
Bern, 05.05.2014.
[2]http://www.asphalt.de/media/exe/133/7ec892978d9a143c444b4c303dc8c
4cc/aif_14749_n_schaumbitumen.pdf, Universität der Bundeswehr München, Bericht aus der Forschungsarbeit vom 28.11.2008.
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