Modellentwicklung zum zeitabhängigen Verlauf der maximal aufnehmbaren Ankerlast von Verpressankern unter dem Einfluss von kalklösender Kohlensäure
Final Report Abstract
Böden mit kalklösender Kohlensäure führen zu einer zeitabhängigen Verminderung der Tragfähigkeit von Verpressankern durch chemischen Angriff auf den Zementmörtel. Durch das Projekt wurde mit einer Reihe verschiedener experimenteller und rechnerischer Untersuchungen das Verständnis der dabei ablaufenden Prozesse verbessert und ein leistungsfähiges Modell zur Berechnung des von der Zeit, den Eigenschaften des Injektionsmörtels und des Bodens abhängigen Tragkraftverlustes erstellt. Das Modell für die rechnerische Beschreibung des Tragfähigkeitsverlustes geht davon aus, dass sich die Ankertragfähigkeit im Falle eines zylindrischen Verpresskörpers aus der radial wirkenden Spannung o>, dem Reibungskoeffizienten tan 5 zwischen Schubund Normalspannung auf die Mantelfläche A des Verpresskörpers zusammensetzt. Der Tragfähigkeitsverlust durch Korrosion ergibt sich zum einen aus der Verminderung des Reibungskoeffizienten in der Kontaktzone Verpresskörper-Boden durch die Ausbildung einer korrodierten Zone geringerer Festigkeit und zum anderen aus dem Verspannungsverlust des Ankerkörpers während des Ausziehvorgangs aufgrund von korrosionsbedingten Auflockerungen. Ausgehend von diesen Ansätzen wird ein Modell zur Beschreibung des Tragfähigkeitsverlustes entwickelt. Der Vergleich mit den Ergebnissen der Ausziehversuche aus der ersten Antragsphase schafft einen Überblick über die Anwendbarkeit des Modells. Für Boden 1 (Mittel- bis Grobsand) kann die Modellkurve den Tragfähigkeitsverlust, der in den Ausziehversuchen gemessen wurde, nicht wiedergeben. Im Verlauf stimmen die Kurven zwar überein, aber der in den Versuchen gemessene Abfall der Tragfähigkeit ist geringer als der durch das Modell wiedergegebene, in dem der Grenzwert der Tragfähigkeit bei nur etwa 40 % des Ausgangswertes liegt. Angewandt auf die Randbedingungen für Boden 2 (Fein- bis Mittelsand) stimmt das Modell gut mit den Ergebnissen der Ausziehversuche überein. Bei den Versuchen im Boden 2 wurde der größte Abfall der Tragkraft beobachtet, dies gibt auch das Modell wieder. Insgesamt geht die Ankertragkraft nach Korrosion bis auf unter 30 % des Ausgangswertes zurück, sinkt aber dann nicht mehr weiter ab sondern strebt einem Grenzwert zu. Für den feinkörnigen Boden 3 (Fein- bis Mittelsand mit 5 % Quarzmehl), in dem der Korrosionsprozess am Zementkörper sehr langsam verläuft, stimmen die Ergebnisse der Ausziehversuche, die nur einen geringen Abfall der Tragfähigkeit liefern, gut mit dem Modell überein. Nach einem Jahr Korrosionsdauer liegt die verbleibende Ankertragfähigkeit noch bei etwa 85 % des Ausgangswertes. Zur Verbesserung der Modellierung des Korrosionsvorganges im Mörtel wurden die Diffusionskoeffizienten zweier Böden experimentell bestimmt und in die Korrosionssimulation integriert. Es zeigte sich jedoch, dass an der Grenzfläche Boden-Mörtel bei dichten Böden zusätzliche Übergangseffekte wirksam sein müssen, die die Korrosionsrate weiter absenken. Dazu wurden für die beiden untersuchten Böden Faktoren abgeleitet, die eine verbesserte Korrosionssimulation ermöglichen. Des Weiteren wurden dicke korrodierte Randschichten erzeugt, die eine ortsauflösende Analyse erlaubten. Diese Randschichten wurden element- und phasenanalytisch untersucht. Außerdem wurde der Härteverlauf in der Korrosionszone untersucht und porosimetrische Untersuchungen durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Analysen konnten mit dem rechnerischen Korrosionsmodell zufriedenstellend wiedergegeben werden. Zusätzliche experimentelle Untersuchungen des Korrosionsfortschrittes in freier Lösung bei Wasserzementwerten des Injektionsmörtels von 0,4 und 0,5 bestätigten die Ergebnisse bereits vorher durchgeführter rechnerischer Simulationen für diese beiden Wasserzementwerte. Es hat sich weiterhin gezeigt, dass die chemische Kinetik des Calcitabbaus bei der Korrosionssimulation in diesem Fall keine Rolle spielt. Ein neues C-S-H-Modell wurde überprüft, für die hier durchgeführten Simulationen jedoch nicht eingesetzt, da sich mit diesem Modell erhebliche Abweichungen zwischen berechnetem und experimentell bestimmtem Phasenbestand der unkorrodierten Ausgangsmaterialien ergaben. Die Ausbildung der korrodierten Randzone kann sowohl mit den empirisch ermittelten Ansätzen als auch mit den entwickelten Formeln gut abgeschätzt werden. Die beschriebenen Defizite des Tragfähigkeitsmodells müssen daher ihre Ursachen in Mängeln bei den Vereinfachungen des Modells zum Verspannungsverlust des Ankers durch den Korrosionsvorgang begründet sein. Es ist daher sinnvoll, zu einem grundsätzlichen Verständnis der Vorgänge in der Kontaktzone Zementkörper-Boden während des Ausziehvorgangs zu kommen, um mit diesen Erkenntnissen eine bessere zahlenmäßige Beschreibung des Verspannungsverlustes am korrodierten System zu ermöglichen bzw. zu geeigneten Eingangsparametern für das Modell zu kommen. Ein für die Zukunft vorstellbarer Versuchsaufbau wäre ein zweidimensionaler Ausziehversuch an einem unter CCVEinfluss korrodierten System. Mittels digitaler, hochauflösender Aufnahmetechnik können die Vorgänge, die sich während des Ausziehvorgangs in der Scherfuge abspielen, erfasst und bewertet werden. Dies kann zu einer Bestimmung von bisher lediglich auf Annahmen basierenden Eingangsparametern in das Modell wie die Dicke der Scherfuge oder der quantitative Verlauf der Auflockerungszone im Boden außerhalb der Scherfuge führen. Ein sehr überraschender Aspekt des Projektes war das Auffinden von nahezu unhydratisiertem C4AF in den Proben zur Herstellung dicker korrodierter Randschichten und zwar sowohl im unkorrodierten Material als auch am korrodierten Probenrand. C4AF ist ein Zementklinkermineral und zeigt im Normalfall eine schnelle Reaktion mit Wasser. Dieses Ergebnis bedarf weiterer Forschung. Die Arbeit insgesamt leistet einen wichtigen Beitrag für das Bauwesen, indem im Einzelfall in einem bisher aufgrund der Aggressivität des Grundwassers nicht erlaubten Bereich eine wirtschaftlichere Bauausführung durch den zuverlässigen Einsatz von Verpressankern ermöglicht wird.
Publications
- C. Hof, Th. Triantafyllidids & F. Schmidt-Döhl (2002): Einfluss von kalklösender Kohlensäure auf das Tragverhalten von Verpressankern. Geolex, 1. Jahrgang, Heft 1, September 2002, S. 31-41.
- C. Hof, Th. Triantafyllidis (2003): Über das Scherverhalten von korrodierten Zementkörperoberflächen. Bautechnik, 80. Jahrgang, Dezember 2003, Heft 12, S. 896 - 902.
- C.Hof, Th. Triantafyllidis & F. Schmidt-Döhl (2004): Über die Abnahme der Tragfähigkeit von Verpressankern unter Angriff von kalklösender Kohlensäure. Bautechnik, 81. Jahrgang, Mai 2004, Heft 5, S. 357-363.
- T. Triantafyllidis, C. Hof (2004): Tragverhalten von Verpressankern unter kalklösender CC>2-Belastung. Kurzberichte aus der Bauforschung, Bd. 45, Heft 1, S. 45-54.
- C. Hof, Th. Triantafyllidis (2005): Über die Modellierung des Tragfähigkeitsverlusts vonVerpressankern unter Angriff von kalklösender Kohlensäure. Bautechnik, 82. Jahrgang, Mai 2005, Heft 5, S. 310-317.
