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INSTITUT FOR BAUSTOFFE, MASSIVBAU UND BRANDSCHUTZ TECHNISCHE UNIVERSITÄT BRAUNSCHWEIG
DIREKTOREN: PROF. DR.-ING. DR.-ING. E. h. K. KORDINA · PROF. DR.-ING. F. S. ROSTASY
Langzeitverhalten von Stahl-Betonverklebungen
BIBLIOTHEK
~2!ut für Baustoiia, Me.::.:.:;1,1t;a:, IJnt:J 0,~..,-i~chutz
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Forschungsbericht von
F.S. Rostasy und
E.-H. Ranisch
Braunschweig, Februar 1988
Gefördert mit Forschungsmitteln des Landes Niedersachsen, Erlaß Nr. 13/80 vom 12.08.1981
Beeltlowmtra~ 52
D-3aOo Brawl'Sci1 we1g
1. Aufgabenstellung
Das Aufkleben von Stahlplatten an Stahlbetonbauteile ist eine Verstär- kungstechnik, die vor ca. 25 Jahren zuerst in Frankreich angewendet wurde. Das Verfahren hat sich rasch international verbreitet. Der Kennt-
nisstand zum Kurzzeittragverhalten ist groß (siehe Literaturverzeichnis).
Daran gemessen sind die Kenntnisse über das Langzeitverhalten derartiger Klebungen gering. Zwar sind zu den ältesten verstärkten Bauwerken, bei denen sich die geklebten Bewehrungen z.T. seit 15 bis 20 Jahren im Freien befinden, noch keine Schäden bekannt geworden, jedoch haben Lloyd und Calder /61/ nach Bauwerksuntersuchungen festgestellt, daß eine Schwächung der Adhäsion am Stahl durch Unterrostung möglich ist. Ähnliche Ergebnisse erbrachten die Auslagerungsversuche von Calder /39/.
An der EMPA in der Schweiz befindet sich eine größere Zahl von laschen- verstärkten Betonbalken seit 1977 im Freien unter Last /46/. Dort sind Unterrostungen bisher nur in sehr geringem Maße festgestellt worden.
Von Untersuchungen an Klebungen für den Flugzeugbau ist bekannt, daß das Langzeitverhalten u.a. abhängt von
- der Art des Klebstoffes
- der Vorbehandlung der Klebflächen - der Art und Höhe der Belastung - der Temperatur
- der relativen Luftfeuchtigkeit - dem Angriff von Medien.
Nach Brackmann /27/ sind für eine zeitraffende Prüfung von Klebstoffen und Vorbehandlungsverfahren Dauerstandsversuche im feucht-warmen Klima geeignet.
2
Dauerstandsversuche in feucht-warmer Luft und im Freien durchgeführt wer- den. Für die freie Bewitterung war eine Belastungszeit von fünf Jahren vorgesehen.
2. Baustoffe 2.1 Beton
Für die Betonkörper wurde Beton der Festigkeitsklasse B25 nach DIN 1045 gewählt. Das Betonrezept zeigt Anlage 2. Das Rezept wurde so entworfen, daß nur eine möglichst geringe Nacherhärtung erfolgt.
2.2 Klebstoffe
Zum Kleben wurden vier Epoxidharzklebstoffe unterschiedlicher Hersteller, die im folgenden mit A, B, C und D bezeichnet werden, verwendet. Ihre we- sentlichen Merkmale sind auf Anlage 1 zusammengestellt. Bei Klebstoff A handelt es sich um das einzige Produkt, das zum Zeitpunkt des Versuchsbe- ginns in Deutschland zum Herstellen von tragenden Verbindungen zwischen Stahl und Beton vom Institut für Bautechnik zugelassen war /41/. Der Klebstoff D wurde nur für die freibewitterten Versuche verwendet.
2.3 Primer
Der eingesetzte Primer hat sich bei Klebungen im Flugzeugbau besonders gut bewährt. Es handelt sich dabei um ein pigmentiertes, niedrigviskoses Epoxidharz mit Zusatz von Zinkchromat.
2.4 Laschen
2.5 Oberflächenbehandlung der Laschen
Ein Teil der Laschen aus St37 wurde werksmäßig feuerverzinkt. Alle übri- gen Laschen wurden mit Strahlkorund Nr. 24 metallisch blank (Sa3) ge- strahlt. Die gestrahlten Flächen wurden mit Aceton abgewaschen, um Öl- reste der Druckluft zu entfernen. Anschließend wurde entweder sofort ge- klebt oder ein Anstrich mit dem Primer aufgetragen. Die geprimerten La- schen wurden nach 7 Tagen mit Schleifpapier Nr. 240 leicht angeschliffen.
Der Schleifstaub wurde dann mit Aceton abgewaschen und anschließend so- fort geklebt. Auch ein Teil der verzinkten Laschen wurde geprimert.
Für die Langzeitversuche wurde z.T. die freie Laschenseite mit einem Metallgrund-Voranstrich und zwei Kunstharz-Deckanstrichen versehen.
2.6 Vorbehandlung des Balkens
Die Betonbalken lagerten nach dem Ausschalen mindestens 40 Tage unter Wasser. Anschließend wurden die Klebflächen mit Korund bis zum Sichtbar- werden des Grobzuschlags gestrahlt. Das Kleben erfolgte 1 bis 2 Tage nach Ende der Wasserlagerung bei einer Betonoberflächenfeuchte von 4 bis 7 %.
3. Vorversuche
Mit den Vorversuchen sollte ein möglichst einfacher Probekörper gefunden werden, der folgende Anforderungen erfüllt:
1. Versagen durch Verbundbruch an der Klebschicht;
2. Beanspruchungen von Beton, Lasche und Klebung möglichst praxisähnlich;
3. für Dauerbelastung geeignet.
Als Betonkörper wurde der Balken zur Biegezugfestigkeitsprüfung alter Art
4
In den Vorversuchen wurde mit vier verschiedenen Laschenprofilen aus St37 (siehe Anlage 3), einer Lasche aus Aluminium, einem unverstärkten Balken (KBV6) und einem Balken mit 6 Stäben ~ 8 mm (KBV7) die Kurzzeitbruchlast bestimmt. Zum Kleben wurde der Klebstoff A verwendet. Dabei wurden die Durchbiegungen gemessen (siehe Anlage 4). Ein typisches Bruchbild zeigt Anlage 5.
Oie Bruchlasten nahmen mit dem Laschenquerschnitt und der Laschenbreite zu. Oie Biegesteifigkeit der laschenverstärkten Balken war größer als die der herkömmlich bewehrten. Mit gleichen Gesamtbewehrungsgraden ließen sich auch gleich hohe Bruchlasten erreichen.
Bei diesen Kurzzeitversuchen verlief die Bruchfuge stets parallel zur Klebschicht im Beton.
Bei zwei Zusatzversuchen mit feuerverzinkten Laschen 3 x 100 mrn2 erfolgte der Bruch bei den Klebstoffen A und C als vollständiger Adhäsionsbruch am Zink, bei Klebstoff B als Betonbruch. Oie Bruchlast betrug 60 - 80 % der Bruchlasten von gesandstrahlten Laschen.
4. Langzeitversuche im feucht-warmen Klima
Für diese versuche wurden die gleichen Balken wie für die Vorversuche gewählt und mit Stahllaschen mit den Querschnitten 3 x 100 mm2 und
5 x 50 mm2 verstärkt. Vor dem Aufkleben der Laschen wurden die Balken in einem Alter von mindestens 40 Tagen mit 50 kN vorbelastet, wodurch drei bis fünf Biegerisse mit einer bleibenden Rißbreite von 0,1 bis 0,2 mm entstanden. Anschließend wurden in unbelastetem Zustand die Laschen mit dem Klebstoff A, Bund C aufgeklebt. Oie Tabelle 4.1 zeigt eine Obersicht der Versuche. Der erste Buchstabe kennzeichnet den Klebstoff, der letzte das Laschenprofil (g für 3 x 100, k für 5 x 50). Die Buchstaben in der
St 37 Niro Alu
3 X 100 5 X 500 3 X 100 10 X 50
Strahlen ASg ASk ANg AALK
c( s... Verzinken AZg AZk
~ ~
Q) Primern APg
..0 Q) APk - -
,...
~ Verzinken
/ 7
Primern AZPg AZPk
CO Strahlen BSg BSk BNg BALk
s...
Q) Verzinken BZg BZk
~ ~
..0
,... Q)
~ Primern BPg BPk - -
Strahlen CSg CSk ANg AALK
<....) s... Verzinken CZg CZk
~ ~
Q) Primern CPg CPk
..0 Q) -
-
,...
/ 7
~ Verzinken
Primern - CZPk
Tabelle 4.1: Obersicht der Langzeitversuche im feucht-warmen Klima 45/95 Von jeder Laschenart wurde ein Balkenpaar hergestellt. Sieben Tage nach dem Kleben wurde die Dauerlast in Höhe von 50% der mittleren Kurzzeit- bruchlast mit Hilfe von Tellerfedern aufgebracht (siehe Anlage 6).
Anschließend wurden die Balken für 6 Monate in einem Klimaraum mit 45
oc
Lufttemperatur und 95% relativer Feuchte eingelagert. Nach einem Monat wurde mit Hilfe einer geeichten hydraulischen Presse die Dauerlast kon- trolliert und gegebenenfalls korrigiert.
6
Oie abgelösten Laschen wurden fotografiert und die Bruchanteile ausgemes- sen. Zur Beschreibung wurden die einzelnen Schichten vom Beton zur Lasche mit A, B, C usw. bezeichnet. Damit bedeuten z.B.:
100 % A - 100 % Betonbruch (Kohäsionsbruch) oder
50 % A/B - 50 % Abhäsionsbruch zwischen Beton und Klebstoff Oie vollständigen Versuchsergebnisse zeigt Anlage 8, die verschiedenen Brucharten die Anlagen 11 bis 16.
Man erkennt, daß sich nach sechsmonatiger Feuchtwarmlagerung deutliche Unterschiede zwischen den Klebstoffen und Laschenarten ausbilden.
Bei den Adhäsionsbrüchen an der Verzinkung handelt es sich überwiegend um
"echte" Adhäsionsbrüche. Oie übrigen Adhäsionsbrüche sind nur "schein- bar", d.h. es bleibt doch ein nahezu unsichtbarer Film von Klebstoff oder Primer haften. Scheinbare Adhäsionsbrüche entstehen vermutlich durch das Einwandern von Fremdatomen in die Klebschicht, wodurch deren Kohäsions- festigkeit nahe der Grenzschicht geschwächt wird /27/.
Im Kurzzeitversuch enthalten die Bruchflächen der sogenannten Betonbrüche häufig auch abgescherte Zuschlagkörner. Nach der Feuchtwarmlagerung sind derartige Brüche - durch Zuschlagkörner hindurch - seltener geworden.
Statt dessen hat häufiger ein scheinbarer Adhäsionsbruch zwischen Kleb- schicht und Grobzuschlagskorn stattgefunden; weil deren Flächenanteile schwer abschätzbar sind, wurde auf eine Unterscheidung zwischen tiefem Betonbruch und Betonbruch mit Adhäsionsbruchanteilen am Zuschlag verzich- tet. Dies erscheint gerechtfertigt, weil sich bei allen Betonbrüchen Resttragfähigkeiten in der Größenordnung der Kurzzeitfestigkeit ergaben.
Adhäsionsbrüche an der Lasche waren hingegen meist mit Festigkeitsver- lusten verbunden. Adhäsionsbrüche an der Lasche als Folge einer Unter- rostung der Klebschicht wurden an ungeprimerten Laschen in starkem Ausmaß
Auf feuerverzinkten Laschen war mit keinem Klebstoff weder mit noch ohne Primer eine befriedigende, dauerhafte Adhäsion zu erzielen. Während der Klimalagerung bildete sich z.T. pulverförmiges Zinkoxid, wodurch die Haf- tung bereichsweise aufgehoben wurde und Verbundbruch eintrat.
Eine bewertete Zusammenstellung der Versuchsergebnisse zeigt Tabelle 5.2.
5. Langzeitversuche unter freier Bewitterung
Für diese Versuche wurden die gleichen Versuchskörper und Materialien verwendet wie für die zeitgerafften Versuche im feucht-warmen Klima. Hin- zugekommen ist der Klebstoff 0. Es wurden nur Laschen mit den Abmessungen 3 x 100 x 700 mm3 verwendet. Eine Zusammenstellung der Versuchsbalkenty- pen zeigt Tabelle 5.1:
A B
c
0e
gestrahlt AS BS
es
OSgestrahlt + geprimert AP BP CP OP
verzinkt - BZ -
oz
verzinkt + geprimert AZP - CZP -
nichtrostend AN BN CN ON
nichtrostend + geprimert ANP BNP CNP ONP Tabelle 5.1: Langzeitversuche im Freien
Oie Belastungseinrichtung wurde so verändert, daß die Laschen außen la- gen. Oie Balken wurden liegend auf dem Dach des Instituts aufgestellt, so daß die obenliegende Lasche direkt bewittert wurde (siehe Anlage 7). Von jedem Balkentyp wurden drei Stück hergestellt. Zwei Balken wurden zu ei-
8
Tabelle 5.2 zeigt eine Bewertung der Ergebnisse für die feuchtwarm gela- gerten und freibewitterten Balken.
Klebstoff/Lagerung
Laschen A B
c
0warm frei warm frei warm frei warm frei
gestrahlt ( s) ++ ++ ++ ++ 0/- ++ X +/0
-
-
-geprimert ( p) ++ ++ ++ ++ 0 ++ X ++
verzinkt ( z) -
--
X +/0 - --- X X --
verzinkt
+ geprimert (ZP) -
--
---
X X --- - --
X Xnichtrostend ( N)
-- -
+ ++ X 0 X +nichtrostend
+ geprimert (NP) X ++ X ++ X + X +
Aluminium ( A 1 ) 0 X 0 X X X X X
++ über 90 % Betonbruch nach 6 Monaten 40/95 bzw. 5 Jahre Freibe- witterung,
keine Bruchlastverluste
+ 60 - 90 % Betonbruch nach voller Lagerungszeit, nur geringe Tragfähigkeitsverluste
0 über 80 % Betonbruch, vorzeitiges Versagen
-
unter 80 % Betonbruch, überwiegend vorzeitiges Versagen-- über 50 % Adhäsionsbruch an der Lasche oder Klebschichtbruch, vorzeitiges Versagen.
Laschenkorrosion ist durch Unterstreichung gekennzeichnet.
X nicht geprüft
Tabelle 5.2: Wertung der Langzeitversuche
Man erkennt, daß sich bei beiden Lagerungsbedingungen ähnliche Tendenzen zeigen. Oie sechsmonatige Feuchtwarmlagerung stellt eine strengere Prü-
Oie Versuche zeigen insgesamt, daß die Restfestigkeit dann von gleicher Größenordnung wie die Kurzzeitfestigkeit ist, wenn der Betonbruchanteil über rund 90% liegt. Nur bei nichtgeprimerten Laschen aus nichtrostendem Stahl ergeben sich nach Freibewitterung z.T. auch bei geringeren Seton- bruchanteilen noch hohe Restfestigkeiten.
6. Zusammenfassung und Wertung
Zur Prüfung des Langzeitverhaltens von praxisnah ausgeführten Verklebun- gen zwischen Beton und Stahl (Außenbewehrung) wurden Dauerstandsversuche in feucht-warmem Klima 40/95 und im Freien durchgeführt. Es wurden vier Epoxidharzklebstoffe, ein Primer auf Epoxidharzbasis und Laschen aus Bau- stahl St37-2, aus nichtrostendem Stahl und aus feuerverzinktem Baustahl St37-2 untersucht. Oie Dauerlast betrug 50% der Kurzzeitbiegebruchlast.
Oie Belastungszeit betrug bei 40/95 sechs Monate und im Freien fünf Jahre. Anschließend wurde die Restfestigkeit geprüft und das Bruchbild beurteilt.
Es zeigte sich, daß die Lagerung bei 40/95 eine starke Zeitraffung gegen- über natürlicher Bewitterung darstellt. Das Zeitraffungsmaß ist noch nicht bekannt, dürfte aber größer als 50 sein. Dauerstandsversuche bei 40/95 sind zur Differenzierung von Klebstoffen und Primern geeignet, weil sich ähnliche Versagensmechanismen wie bei freier Bewitterung einstellen.
Während im Kurzzeitversuch der Betonbruch den Regelfall darstellt, können sich im Dauerstandsversuch Adhäsionsbrüche und auch Unterrostungen erge- ben, die dann Tragfähigkeitsverluste zur Folge haben.
Es zeigte sich, daß mit geprimerten Laschen aus gestrahltem Baustahl oder gestrahltem nichtrostendem Stahl mit allen vier Klebstoffen die besten Ergebnisse erzielt wurden. Hier läßt sich eine Nutzungsdauer von Jahr-
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