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Jun 07, 2023

Betonkenner optimieren Mischungen und Methoden für Autobahnen und Brücken

Auf dem Jane Addams Memorial Tollway in Illinois gießen Lastwagen optimierte Betonmischungen mit reduziertem Portlandzementanteil. FOTOS MIT FREUNDLICHER GENEHMIGUNG DER ILLINOIS STATE TOLL HIGHWAY AUTHORITY Hohe Leistung

Auf dem Jane Addams Memorial Tollway in Illinois gießen Lastwagen optimierte Betonmischungen mit reduziertem Portlandzementanteil.

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Bei einer neuen Mautbrücke kommen Hochleistungsbeton und Edelstahl zum Einsatz.

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Fadenloses Pflaster ist ein anhaltender Trend.

Foto mit freundlicher Genehmigung von ACPA

Ein Arbeiter (links) bereitet eine Mischung vor, die durch Karbonisierung und nicht durch Hydratation an Festigkeit gewinnt, aber Portlandzement ähnelt.

FOTO MIT freundlicher Genehmigung von SOLIDIA

Neue Brücken weisen neue Beton-Mischungsverhältnisse auf.

FOTO MIT freundlicher Genehmigung der FIGG BRIDGE GROUP

Teams pflastern einen Straßenabschnitt in St. Louis, Missouri, mit einem italienischen „verrauchenden“ Betonprodukt.

FOTO MIT freundlicher Genehmigung von ITALCEMENTI

Forscher verwenden Formgedächtnis-Kunststoffspannglieder in Tests für selbstheilenden Beton.

Foto mit freundlicher Genehmigung der Universität Cardiff

So wie moderne Köche klassische Techniken optimieren, experimentieren Insider der Betonindustrie erneut mit Zutaten – Zusatzstoffen und Zuschlagstoffen wie Flugasche, Schlacke und Steinbruchabfällen – und der „Beschichtung“, zu der Methoden wie Zwei-Hub-Einbau und Echtzeitüberwachung der Glätte gehören. Und wie viele Köche, die Wert auf die Gesundheitsaspekte von Lebensmitteln legen, richten Betonprofis ihre Ziele von der Festigkeit des Materials auf seine Langlebigkeit und Haltbarkeit aus.

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„Im Wesentlichen versuchen wir, die grundlegende Grundlage zu ändern, auf der wir Betonbeläge entwerfen“, sagt Gerald Voigt, Präsident und CEO der American Concrete Pavement Association. „Wir versuchen, neue Mischungen zu entwickeln und Qualifizierungstests durchzuführen, die auf chemischer Haltbarkeit, Frostbeständigkeit usw. basieren und nicht auf der Festigkeit.“

Der Drang, Standards für Beton zu schaffen, damit er schneller aushärtet und extremen Witterungseinflüssen und Chemikalien standhält, beruht zum Teil auf Überlegungen zur Widerstandsfähigkeit, sagt Michelle Wilson, Leiterin für Betonwissen bei der Portland Cement Association. „Aktuelle Standards geben Ihnen spezifische Codes vor, aber eine Einheitsgröße passt nicht für alle“, stellt sie fest.

Landesweite Forschungsbemühungen, unter anderem bei der Federal Highway Administration (FHWA) und am National Concrete Technology Center (CP Tech Center) der Iowa State University, arbeiten an neuen Standards zur „Erkennung, was kritisch ist, wie man es misst und wie man es spezifiziert“. Voigt fügt hinzu. „Es nimmt wirklich Fahrt auf und wir haben in den letzten zwei Jahren Strategien entwickelt, wie wir dabei vorgehen.“

Peter Taylor, Direktor des CP Tech Center, sagt, dass kritische Parameter entwickelt wurden. „Der nächste Schritt besteht darin, Testmethoden zur Messung dieser Eigenschaften zu finden, und ein Großteil dieser Arbeit ist abgeschlossen, einschließlich der Feldauswertung in sieben Bundesstaaten im letzten Sommer“, sagt er. „Als nächstes folgt die Auswahl der Pass-Fail-Grenzwerte für Regionen und Klimazonen.“ Das Team hofft, im Herbst eine Spezifikation zur Überprüfung durch staatliche Transportbeamte entwickeln zu können, fügt er hinzu.

„Die Industrie erkennt jetzt, dass gute Mischungen nicht so viel zementhaltiges Material benötigen wie bisher angenommen“, sagt Tom Van Dam, Direktor beim Ingenieurbüro NCE. „Flugasche und Schlacke, die puzzolanische Eigenschaften haben, können bei richtiger Verwendung Beton haltbarer machen und den CO2-Fußabdruck drastisch reduzieren.“

Aufgrund des geringeren Bedarfs an zementhaltigem Material führt das Verfahren wiederum zu Kosteneinsparungen, sagt Steve Gillen, Materialmanager bei der Illinois State Toll Highway Authority. „Wir verwenden zunehmend Flugasche und Schlacke in unseren Mischungen. 35 % sind unser Minimum für den Ersatz von Portlandzement, es kann aber auch bis zu 50 % betragen.“

Das 15-jährige, 12 Milliarden US-Dollar umfassende Kapitalprogramm der Mautstraßenbehörde dient als fortlaufendes Feldtest-Schaufenster für eine Vielzahl konkreter Forschungen in Zusammenarbeit mit Wissenschaft und Industrie, sagt Gillen. Die Behörde hat den Zwei-Aufzug-Einbau getestet; Zuschlagstoffe aus Steinbruchabfällen, z. B. superfeine Sande in Mischungen; und rissbeständige Beton- und Fertigteilplatten, die die Fugen in Decks reduzieren. Zu den weiteren Bemühungen gehört die Umgestaltung kontinuierlich bewehrter Betondecken (CRCP), beispielsweise die Optimierung ihrer Mengen und Anwendungen. Die Behörde nutzt außerdem ein automatisiertes Plateload-Testsystem, mit dem die geotechnischen Eigenschaften des Straßenuntergrunds in Echtzeit gemessen werden können (siehe S. 27).

Das jährliche Kapitalprogramm der Behörde beläuft sich derzeit auf etwa 1 Milliarde US-Dollar, die Forschungsinvestitionen belaufen sich auf etwa 5 Millionen US-Dollar, sagt Chefingenieur Paul Kovak. „Die Einsparungen belaufen sich auf zweistellige Millionenbeträge“, sagt Gillen.·

Die Behörde hat auch einen Zwei-Hub-Pflaster verwendet, der auf der unteren Platte recycelte Materialien wie wiedergewonnene Asphaltzuschlagstoffe und auf der oberen Platte höherwertige Zuschlagstoffe enthält, sagt Gillen. Auch andere Bundesstaaten experimentieren mit der Zwei-Aufzug-Einbauweise, fügt er hinzu.

Tyler Ley, außerordentlicher Professor für Bauingenieurwesen an der Oklahoma State University, äußert Bedenken, etwa ob Bauunternehmer die mit zwei Pflastermaschinen verbundenen Mehrkosten in Kauf nehmen wollen. Weiter sagt er: „Die Idee besteht darin, weniger wünschenswertes Material in die untere Schicht zu legen, aber wie tief geht man? Wie viel Knorpel gibst du in den Burger?“

Ley leitete die Entwicklung des Super Air Meter (SAM), eines tragbaren Geräts, das in etwa 10 Minuten den Luftporenabstand und das Luftvolumen in Frischbeton misst und so eine Fehlerbehebung in Echtzeit ermöglicht. „Die alte Methode bestand darin, den Beton nach dem Aushärten zu zerschneiden“, sagt er. In den letzten 18 Monaten hat sein Team in Zusammenarbeit mit der FHWA SAM im ganzen Land demonstriert. 29 Bundesstaaten und zwei kanadische Provinzen nutzen es, sagt Ley.

Die schnellere und genauere Prüfung von Beton treibe den Trend zu mehr Widerstandsprüfungen voran, sagt Ley. „Man nimmt Beton und schickt eine Ladung hindurch, um die Leitfähigkeit zu messen“, sagt er und prognostiziert, dass solche Tests in den nächsten Jahren weit verbreitet sein werden.

Auch Echtzeit-Glättetests in Verbindung mit computergestütztem fadenlosem Einbau werden weit verbreitet sein, sagt Voigt. „Man hängt Sensoren an die Rückseite eines Pflastersteins, die die Oberfläche mit Lasern abtasten können“, sagt er. „Trupps, die zwei bis drei Fuß hinter der Maschine arbeiten, können eine raue Stelle sofort beseitigen.“

Gary Fick, Vizepräsident von Trinity Construction Management Services, sagt, dass sich die Technologie, die im Rahmen eines Strategic Highway Research Program 2 untersucht wurde, in der Implementierungsphase befindet. „Wir versuchen, den Auftragnehmern Ausrüstung zu leihen, damit sie sie ausprobieren können“, sagt er. „Ein Auftragnehmer, der die Ausrüstung letztes Jahr gekauft hatte, meinte, dass sie sich innerhalb einer Saison amortisiert habe.“ Leihgaben, Feedback und Workshops zu Echtzeit-Glättetests werden bis 2017 fortgesetzt, fügt er hinzu.

Auch wenn ein CO2-Fußabdruck von Netto-Null für Beton möglicherweise noch nicht wirtschaftlich ist, hat Solidia Technologies einen großen Schritt in diese Richtung gemacht, indem es einfach einige Moleküle bewegt hat. Untersuchungen des Unternehmens aus Piscataway, NJ, über die Prozesse, die sich auf Kalziumsilikatmineralien auswirken, die chemisch Portlandzement ähneln, haben zur Entwicklung von Solidia-Zement geführt, der durch Karbonisierung und nicht durch Hydratation an Festigkeit gewinnt.

Nick DeCristofaro, Chief Technology Officer von Solidia, sagt, dass sich das patentierte Verfahren zur Herstellung von Solidia-Zement nicht von dem für Portlandzement unterscheidet, was bedeutet, dass ein Werk beides herstellen kann. Aufgrund seines molekularen Aufbaus bildet sich Solidia-Zement bei niedrigeren Ofentemperaturen, wodurch die CO2-Emissionen nach Angaben des Unternehmens um bis zu 30 % gesenkt werden. Durch die Aushärtung von Beton mit Solidia-Zement wird der CO2-Fußabdruck der Produktionskette noch weiter verringert, da 5 % seines Gewichts CO2 gebunden werden. Der gesamte mit der Herstellung verbundene CO2-Fußabdruck wird um bis zu 70 % reduziert. Das Verfahren ermöglicht außerdem die Rückgewinnung von zwischen 60 % und 100 % des Mischwassers, das zur Herstellung von Betonprodukten verwendet wird. Tests des Beratungsunternehmens CTLGroup haben bestätigt, dass das Material den Industriespezifikationen für Festigkeit und Haltbarkeit entspricht. Die bedeutendsten Kapitalinvestitionen betreffen die CO2-Härtungskammer und die Verfügbarkeit ausreichender Gasmengen.

Für Leys Team an der Oklahoma University liegt ein Hauptaugenmerk auf der Optimierung von Zuschlagstoffgrößen und -volumina für Beton, nicht nur für Pflaster, sondern auch für Brückendecks. „Der Unterschied bei einem Brückendeck besteht darin, dass der Beton fließfähiger sein soll“, sagt Ley. Mit Partnern wie der FHWA, Georgia Tech und dem Army Corps of Engineers nutzt das Team ein umfassendes Rohr- und Pumpensystem, um Portlandzement-Alternativen wie Kalziumsilikat und Aluminate zu untersuchen.

Das Team habe außerdem eine Alternative zu sperrigem Sackleinen entwickelt, um ein neu gegossenes Brückendeck aus Beton während des Aushärtens zu schützen, sagt Ley. „Wir haben ein biologisch abbaubares Material aus recycelten Zeitungen, Kräutern, Gewürzen und Wasser entwickelt“, sagt er. „Wir können es zum Aushärten von Spritzbeton wie Wasser oder klebrig machen. Sie legen es mit einer Dicke von einem Viertel Zoll und einer Plastikfolie darauf ab.“ Das Produkt wurde kürzlich an drei Brücken in Oklahoma getestet, weitere Tests werden folgen. „Es schnell aufzutragen, ohne die Oberfläche zu beschädigen, war mit einigem Aufwand verbunden“, sagt er.

Betonbrückenexperten stimmen mit den Straßenfertigern über den Trend hinsichtlich der Optimierung der Mischungen überein. Bei der neuen I-35W-Brücke in Minneapolis wurde eine 6.500-psi-Überbaumischung mit Portlandzement verwendet, der zu 77 % aus zementhaltigem Material besteht, zusammen mit Flugasche und Quarzstaub, sagt Alan Phipps, Senior Vice President der Figg Bridge Group. Bisher „zeigte die Brücke sehr niedrige Durchlässigkeits- und Festigkeitsergebnisse, die die Erwartungen übertrafen, mit einer durchschnittlichen 28-Tage-Festigkeit von etwa 8.000 psi, 23 % über den Designanforderungen“, sagt er.

Die Dresbach-Brücke l-90 und die Winona-Brücke, die sich derzeit beide über den Mississippi zwischen Minnesota und Wisconsin im Bau befinden, verwenden Überbaubetonmischungen, die für eine Festigkeit von 7.000 psi und 8.000 psi ausgelegt sind, wobei etwa 70 % des Zementmaterials Portlandzement sind und der Rest besteht aus Flugasche und Schlacke, fügt Phipps hinzu.

Die Betonung der Lebensdauergestaltung durch Korrosionsschutz und Haltbarkeit über strenge Vorschriften hinaus gilt für Betonbrücken ebenso wie für Straßenbeläge, sagt David Goodyear, nordamerikanischer Chefbrückeningenieur bei TY Lin International. „Eines der Dinge, die in den USA passieren, ist die Konzentration auf eine rationale Lebensdauergestaltung. Hoffentlich können wir in den kommenden Jahren eine Lebensdauer von über 150 Jahren erreichen.“

Laut Italiens führendem Betonhersteller könnte es möglich sein, die Luftverschmutzung in Mailand zu halbieren, indem man „smogfressende“ Produkte in nur 15 % der Hartflächen der Stadt einbaut. Solche weitreichenden Entwicklungen sind vorerst nur eine Vision, aber Befürworter von photokatalytischem Beton (PC) weisen auf sein Potenzial hin.

Jedes Jahr werden bis zu 2 Millionen Quadratmeter photokatalytische Oberflächen mit Additiven der in Bergamo ansässigen ltalcementi SpA belüftet, sagt Gian Luca Guerrini, Projektleiter der Produktlinie. Projekte verbrauchen etwa die Hälfte der PC-Leistung des Unternehmens, aber hohe Kosten schränken den Einsatz auf Autobahnen ein, fügt er hinzu.

Smog verzehrender Beton verwendet einen festen Katalysator, normalerweise Anatas-Titandioxid. Unter ultraviolettem Licht oxidieren die Chemikalien Schadstoffe in Autoabgasen, erklärt Jos Brouwers, Professor für Baumaterialien an der Technischen Universität Eindhoven, Niederlande. Beispielsweise werden Stickoxide (NOx) in weniger schädliche Nitrate umgewandelt. Ein von Brouwers geleitetes Team verzeichnete erhebliche NOx-Reduktionen auf einer niederländischen Straße, die mit Betonblöcken aus photokatalytischem Material gepflastert war, sagt er. Dem Versuch in Hengelo, der 2012 abgeschlossen wurde, folgte ein Jahrzehnt lang Labortests, fügt er hinzu.

Laut Brouwers haben Forscher für die Versuche 150 m einer Wohnstraße mit Betonblöcken gepflastert und an der Technischen Universität Eindhoven in den Niederlanden überwacht. Beispielsweise werden Stickoxide (NOx) in weniger schädliche Nitrate umgewandelt. Ein von Brouwers geleitetes Team verzeichnete erhebliche NOx-Reduktionen auf einer niederländischen Straße, die mit Betonblöcken aus photokatalytischem Material gepflastert war, sagt er. Dem Versuch in Hengelo, der 2012 abgeschlossen wurde, folgte ein Jahrzehnt lang Labortests, fügt er hinzu.

Laut Brouwers haben die Forscher für die Versuche 150 m einer Wohnstraße mit Betonblöcken gepflastert und diese mehr als ein Jahr lang überwacht. Nur die obersten 0,6 bis 0,8 Zentimeter der 10 cm tiefen, ziegelgroßen Blöcke enthielten mit etwa 5 % der Mischung die Wirkstoffe.

Über einen Zeitraum von 24 Stunden lagen die NOx-Werte typischerweise 20 % unter denen auf einer unbehandelten Kontrollstraße, sagt Brouwers. Allerdings seien die Behörden weiterhin skeptisch gegenüber dem Einsatz der Technologie, da andere Tests fehlgeschlagen seien, fügt er hinzu. Diese Misserfolge seien jedoch darauf zurückzuführen, dass andere Forscher schlechte Versuchsstandorte ausgewählt hätten, sagt er. Er fügt hinzu, dass das Interesse auch aufgrund der Kosteneinbußen bei PCs unterdrückt wird, die 5 bis 10 % über denen herkömmlicher Konstruktionen liegen.

Guerrini stimmt zu, dass die Kosten gesenkt werden müssen, bevor Italcementi den Verkauf seines patentierten PC-Additivs TX Active steigern kann, das das Unternehmen vor zehn Jahren in Italien und Frankreich und ein Jahr später in den USA auf den Markt brachte Lizenzvereinbarungen in weiteren 12. Das durch rund 20 Patente geschützte Produkt habe kaum Konkurrenz, sagt Guerrini.

Im Autobahnsektor „arbeiten wir mit Ingenieuren zusammen, um die vollständige Schichtung der Fahrbahn zu entwerfen und zu bewerten, was die beste Lösung sein könnte“, fügt er hinzu. Guerrini hofft, die Kosten zu senken, indem der Anteil des Ortbetons von den 10 cm, die in einem US-Versuch verwendet wurden, reduziert wird.

Bei dem Versuch vor vier Jahren auf 460 Metern einer Autobahn in St. Louis wurde die zweistufige „Nass-in-Nass“-Gleitschalung eingesetzt, um eine verbesserte Effizienz der PC-Konstruktion zu demonstrieren, sagt Guerrini. Die von Italcementis US-Tochtergesellschaft, dem Verkehrsministerium von Missouri, der Federal Highway Administration und anderen gesponserten Arbeiten umfassten das Gießen eines 25 cm dicken Zementuntergrunds, auf den eine dünnere Deckschicht mit TX Active aufgebracht wurde.

Der Architekt eines Brückensanierungsprojekts in Barcelona, ​​Spanien, nutzt nicht nur luftreinigende Eigenschaften, sondern bringt sie auch zum Leuchten. Und bei einer 550.000 US-Dollar teuren Renovierung des Umberto-One-Tunnels in Rom im Jahr 2007 wurde die 9.000 m² große Auskleidung mit TX Active-Farbe beschichtet. Im Rahmen eines 1,6-Millionen-Dollar-Projekts, das bald zu Ende geht, wird die 60 m lange Sarajevo-Brücke über die Avinguda Meridiana verbreitert, begrünt und mit Keramikfliesen, Asphalt und Beton gepflastert, wodurch etwa 40 % der Fahrbahnoberfläche bedeckt werden, sagt Manel Peribanez, a Bauherr mit Baena Casamor Arquitectes BCQ SLP Im nassen Zustand wurde die Ortbetonoberfläche mit einem photokatalytischen Material und einem photolumineszierenden Zuschlagstoff durchtränkt, der nachts leuchten sollte.

Nach einem Jahrzehnt der Forschung zu selbstheilendem Beton planen niederländische Ingenieure, dieses Jahr mit der kommerziellen Produktion der notwendigen Bakterienwirkstoffe zu beginnen. Doch angesichts der unsicheren Wirtschaftslage und der noch ausstehenden Entwicklung bleibt der Umfang der Produktion und des Umsatzes unklar.

„Wir bauen eine Fabrik, die große Mengen des Selbstheilungsmittels produzieren kann“, sagt Erik Schlangen, Professor für experimentelle Mikromechanik an der Technischen Universität Delft (DUT). Die Universität begann mit der Forschung vor zehn Jahren, nachdem in den USA selbstheilende Polymere aufkamen, sagt er und fügt hinzu: „Eines der ersten Dinge, die ich tat, war, einen Mikrobiologen einzustellen.“

Selbstheilender Beton enthält alkaliresistente Bakterien, die wie Samen schlummern. Auch lebenswichtige Nährstoffe wie Calciumlactat sind enthalten. Wenn Bakterien durch eine Beschichtung geschützt werden, können sie nach dem Einmischen in Beton 200 Jahre lang überleben. Wenn Risse entstehen, werden die Bakterien durch den Kontakt mit Luft und Feuchtigkeit aktiviert. Sie verbrauchen Laktat und Sauerstoff und produzieren Silikate, die die Risse füllen. DUT-Forscher beobachteten, dass etwa 0,5 Millimeter große Risse in weniger als zwei Monaten nahezu verschwunden waren.

Vor zwei Jahren führte das DUT-Team umfassende Versuche durch und nutzte dazu einen kleinen Bewässerungskanal in Ecuador. Über die Leistung des 3 m langen und 1 m tiefen ecuadorianischen Kanals müssen die Ingenieure noch berichten.

In Großbritannien werden die Universitäten Cambridge, Cardiff und Bath diesen Sommer ein dreijähriges, staatlich finanziertes Forschungsprogramm in Höhe von 2,9 Millionen US-Dollar abschließen, sagt Robert Lark, Professor an der Universität Cardiff. „Wir sind die ersten, die die Technik in einer umfassenden Struktur und im Freien umgesetzt haben“, stellt er fest.

In den Versuchen werden drei Optionen für die Anwendung von Bakterien untersucht, darunter das direkte Einmischen in Beton; Einschließen bakterieller Wirkstoffe in Mikrokapseln, die bei Bedarf aufbrechen, und Beladen der Kapseln mit Nährstoffen für die Bakterien; und in der Struktur wird ein Gefäßrohrsystem verwendet, durch das Bakterien wandern können. Dieses System beinhaltet Spannglieder aus Formgedächtniskunststoff im Beton, um die Risse ausreichend zu schließen.

Diese Ideen werden an einem Satz von sechs 2 m hohen, 1 m breiten und 25 cm dicken Erdwällen aus Beton getestet, die kürzlich vom in Maidenhead ansässigen Bauunternehmen Costain Group plc gegossen wurden. bei einem seiner Autobahnverträge, in der Nähe von Abergevenny, 50 km von der Universität entfernt. Während das Team darauf wartet, die Leistung der verschiedenen Optionen zu beobachten, müssen die Wände unter simulierten Erdbelastungen noch Risse bekommen.

Aileen Cho, leitende Transportredakteurin bei ENR, stammt aus Los Angeles und lebt in New York. Sie studierte Englisch und Theater am Occidental College, wo ein Reporter, der den einen bestehenden Journalismuskurs unterrichtete, sie ermutigte, sich für das Minority Editing Training Program der LA Times zu bewerben. Ihre journalistische Ausbildung führte zu ihren ersten Geschichten über Transportwesen, als sie als junge Reporterin für die Greenwich Time arbeitete. Ihre Arbeiten wurden in der Los Angeles Times und der New York Times veröffentlicht. Viele ihrer Erfahrungen mit Ingenieuren und Bauunternehmern haben ihr Material für alternative Theaterproduktionen fernab des Broadways inspiriert. Für ENR ist Aileen um die Welt gereist, ist in China über Brücken geklettert, hat einen Flughafen in Abu Dhabi besichtigt und ist in dunkle U-Bahn-Tunnel in New York City hinabgestiegen. Sie nimmt regelmäßig an Transportkonferenzen teil und stellt fest, dass Flughafen- und Nahverkehrsingenieure wirklich wissen, wie man Spaß hat. Aileen ist immer begierig darauf, in einen anderen Flug zu steigen, weil es so viele interessante Projekte und Menschen gibt, und sie hat es satt, in ihrem Heimbüro in Long Beach, Kalifornien, ständig die Nerven vor dem Computer zu verlieren. Sie ist ein sehr konfliktreicher Mets/Dodgers-Fan.

Jim Parsons ist ein freiberuflicher Autor, der aus der Metropolregion Washington, D.C. über die Branche berichtet.

Peter Reina ist Korrespondent in London, Großbritannien