Verfahren zur Schlupfminderung in einem schwellenartigen dauerschwingbelasteten Betonfertigteil mit Vorspannung mit nachträglichem Verbund und Formstab zur Durchführung des Verfahrens

Abstract

 Bei dauerschwingbelasteten Fertigteilen mit Vorspannung mit nachträglichem Verbund, beispielsweise bei Spannbetonschwellen, entstehen bei Belastungen im Grenzbereich der Zulässigkeit häufig Risse im Beton, die sich auch bei Entlastung nicht nur nicht schließen, sondern mit wachsender Zahl der Lastspiele noch erweitern.
Versuchsreihen an Schwellen haben ergeben, daß die Ursache dieser Schäden in einem unzureichenden Verbund zwischen den Spannstäben und dem Fertigteilbeton liegt. Dieser Verbund hängt von drei Faktoren ab, die jede für sich und in Kombination die Qualität der Verbundwirkung bestimmen.
Diese drei Komponenten sind:

· der Verbund zwischen Spannstab und Verpreßmörtel

· die Qualität und Festigkeit des Verpreßmörtels

· der Verbund zwischen Verpreßmörtel und Beton

Zur Minderung des Schlupfs werden Maßnahmen vorgeschlagen, mit denen der Verbund an mindestens einen der drei bestimmenden Faktoren verbesserbar ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schlupfminderung in einem schwellenartigen dauerschwingbelasteten Betonfertigteil mit Vorspannung mit nachträglichem Verbund, wie es im Oberbegriff des Anspruchs 1 beschrieben ist, sowie Formstäbe zur Durchführung des Verfahrens.

[0002] Bei durch Dauerschwingbeanspruchung hoch belasteten mit Vorspannung mit nachträglichem Verbund hergestellten Betonfertigteilen - vornehmlich bei Eisenbahnschwellen - die besonders hohe Betonfestigkeiten von über 60 N/mm² aufweisen, können im Bereich der großen Zugspannungen Risse im Beton entstehen, die sich bei Entlastung nicht wieder vollständig schließen. Diese bleibenden Risse können zu dauernden Schäden und zur Zerstörung der Fertigteile führen (z.B. bei Schwellen, indem bei weiteren Lastwechseln von unten Partikel in den Riß einwandern und die Rißbreite fortschreitend vergrößern).

[0003] Zur Verminderung derartiger Schäden ist es bekannt, die Vorspannung zu erhöhen, um die Zugspannung stärker zu überdrücken. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, daß der Spannstabquerschnitt vergrößert, oder höherwertiger Spannstahl verwendet werden muß, was - besonders bei wegen großer Fertigungszahlen knapp kalkulierten Massenfertigteilen - zu erheblichen wirtschaftlichen Nachteilen durch höhere Materialkosten führt.

[0004] Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, die schädliche Rissebildung durch Herstellungsverbesserungen ohne Erhöhung der Vorspannkraft zu beheben.

[0005] Grundlage der erfindungsgemäßen Maßnahmen ist die durch eingehende Versuche gefundene Erkenntnis, daß ein zwischen Fertigteilbeton und Spannstab im Rißereich des Betons entstehender bleibender erhöhter Schlupf die Ursache für das Klaffen der Risse auch nach Entlastung des Fertigteiles ist. Entsprechend zielen alle zur Lösung der Aufgabe vorgeschlagenen erfindungsgemäßen Maßnahmen darauf ab, den Schlupf zwischen Spannstab und Fertigteilbeton zu vermindern.

[0006] Der Schlupf zwischen Fertigteilbeton und Spannstab hängt im wesentlichen ab von drei Faktoren:

· der Güte des Verbunds zwischen Spannstab und Verpreßmörtel

· der Qualität und der Festigkeit des Verpreßmörtels, der die bei der Kraftübertragung aus dem Spannstab in den Fertigteilbeton auftretende Schubkraft überleitet, und

· der Güte des Verbunds zwischen dem Verpreßmörtel und der Innenfläche des Spannkanals im Beton des Fertigteils.

[0007] Verbesserungen an diesen drei Faktoren können für sich oder in Kombination die Lösung der gestellten Aufgabe, weitgehende Verhinderung des Schlupfes zwischen Spannstab und Fertigteilbeton und damit Vermeidung unzulässig großer, sich bei Entlastung nicht mehr schließender Rißbreiten im Beton, bewirken.

[0008] Die Aufgabe wird gelöst durch Maßnahmen, wie sie im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 beschrieben sind, sowie Formstäbe zur Durchführung des Verfahrens.

[0009] Der Verbessung des Verbunds zwischen Spannstab und Verpreßmörtel kann durch Verwendung von oberflächenprofilierten Stäben gesteigert werden.
Es ist an sich bekannt, gattungsmäßige Fertigteile mit endverankerten, gerippten Spannstäben vorzuspannen, jedoch nur dort, wo keine oder geringfügige Umlenkungen der Stabachse vorgesehen sind. Diese Bedingung ist bei gattungsmäßigen Schwellen nicht gegeben.
Spannbetonschwellen der gattungsmäßigen Art werden bisher mit haarnadelförmig gebogenen glatten Spannstäben vorgespannt. Glatte Spannstäbe werden verwendet, weil die Biegung bisher bekannter gerippter Stähle mit einem - bezogen auf den Stabduchmesser - relativ kleinen Biegedurchmesser zu Sprödbrüchen im Verformungsbereich beim Biegen oder später beim Spannen führen kann, und weil der Beton im Spannkanal am Stabwiderlager im Bereich der Stabkrümmung beim Spannen von den Rippen zerstört werden würde.

[0010] Die Anmelderin hat die Herstellung eines Stahles mit dem erforderlichen Durchmesser für die Verwendung in gattungsgemäßen Spannbetonschwellen veranlaßt, der die Vorteile des glatten Stahls mit denen des gerippten verbindet, nämlich eines kaltgezogenen glatten Stahls, in dessen Oberfläche nachträglich durch Kaltverformung Mulden eingedrückt werden. Durch Verwendung derartiger Stäbe wird der Verbund zwischen Spannstab und Verpreßmörtel erheblich verbessert.

[0011] Zerstörungen des Verpreßmörtels haben Ihre Ursache - auch bei Einhaltung der Vorschriften - in einer zu geringen Festigkeit des Verpreßmörtels gegenüber der Festigkeit des hochwertigen Fertigteilbetons bei gleichzeitigem Verzicht auf eine schlaffe Bewehrung zur Begrenzung der Rißbreiten. Sie können durch Erhöhung der Festigkeit des Verpreßmörtels über den in den Richtlinien für den Verpreßmörtel in Spannbetonkonstruktion vorgeschriebenen Wert hinaus möglichst bis auf die Festigkeit des umgebenden Fertigteilbetons vermieden werden. Erfindungsbegründend ist die neue Erkenntnis, daß ein Verpreßmörtel mit weit über dem vorgeschriebenen Wert liegenden Festigkeiten erforderlich ist, um den schädlichen Schlupf zu verhindern.

[0012] Zur Verbesserung des Verbunds zwischen Verpreßmörtel und Fertigteilbeton muß eine bessere Verzahnung zwischen Verpreßmörtel und Innenfläche des Spannkanals erreicht werden. Dabei scheiden verlorene, im Beton verbleibende, gewellte Hüllrohre, wie sie normalerweise im Spannbetonbau verwendet werden, aus Kostengründen aus.

[0013] Bisher wurden die Spannkanäle bei gattungsgemäßen Fertigteilen durch vor dem Betonieren eingebaute und im Grünzustand des Betons wieder gezogene glatte Formstäbe gefertigt. Derartig hergestellte Spannkanäle weisen relativ glatte Innenflächen auf, die die bei der Kraftübertragung aus den Spannstäben in den Fertigteilbeton auftretenden Schubkräfte in der Trennfläche nicht übertragen können.

[0014] Der Mangel wird durch die Herstellung von Verzahnungen in der Trennfläche zwischen Verpreßmörtel und Fertigteilbeton behoben. Zweckmäßige Verfahren zur Herstellung wirksamer Verzahnungen sind in den Unteransprüchen zahnungen 2-4,14,16-18 beschrieben.

[0015] Zweckmäßige Ausbildungen eines Formstabes zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4 enthalten die Vorrichtungsansprüche 5 - 13, nach Anspruch 14 der Vorrichtungsanspruch 15.
Die Formstäbe nach den Ansprüchen 5 - 9 und 15 sind selbstständige Ausbildungsformen zur Lösung des Verfahrens nach Anspruch 1. Mit ihrer Hilfe werden bleibende Ausnehmungen mit Hilfe von Verdrängungskörpern, die aus einer glatten zylindrischen Mantelfläche des Formstabes heraustreten, auf den Außenflächen des Spannkanals im Beton erzeugt. Eine weitere wirtschaftliche Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 1 enthält Anspruch 19.

[0016] Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in den Figuren 1-9 erläutert.
Es zeigen:

Figur 1.1 u. 1.2

eine Spannbetonschwelle mit Vorspannung mit nachträglichem Verbund; 1.1 im Längsschnitt, 1.2 im Querschnitt.

Figur 2.1 u. 2.2

einen mit Hilfe eines Formstabes hergestellten Spannkanal im Querschnitt nach Anspruch 3; 2.1 im eingebauten Zustand des Formstabes, 2.2 im Zustand nach dem Ziehen des Formstabs.

Figur 3.1 u. 3.2

einen Formstab im Querschnitt nach Anspruch 5; 2.1 im eingefahrenen, 2.2 im ausgefahrenen Zustand des Verdrängungskörpers.

Figur 4.1, 4.2, 4.3

einen mit Hilfe eines Formstabes nach Anspruch 6 hergestellten Spannkanal; 4.1, 4.2 im eingebauten Zustand des Formstabs im Querschnitt; 4.1 vor dem Aufpumpen des schlauchartigen Mantels, 4.2 nach dem Aufpumpen, 4.3 Anordnung der Zonen von geringerer Steifigkeit auf der Innenseite des Mantels.

Figur 5.1, 5.2

einen Formstab nach Anspruch 7 im Querschnitt; 5.1 vor, 5.2 nach dem Aufpumpen der Membrane.

Figur 6.1, 6.2, 6.3

einen mit Hilfe eines Formstabes nach Anspruch 14 hergestellten Spannkanal; 6.1 mit eingebautem Formstab im Querschnitt, 6.2 im Längsschnitt in Stabachse durch das zahnartige Element, 6.3 eine Innenansicht des Spannkanalabschnitts mit gewindegangartiger Ausnehmung.

Figur 7

einen Längsschnitt durch einen Formstab nach Anspruch 10 und 11.

Figur 8

einen Längsschnitt durch einen Formstab nach Anspruch 12 und 13.

[0017] Figur 1.1 und 1.2 zeigen eine Spannbetonschwelle als Beispiel eines erfindungsgemäßen Fertigteils 1 aus Beton 2. In dem Fertigteil 1 sind mit Hilfe von Formstäben Spannkanäle 3 angeordnet, in die nach Erhärten des Betons die Spannstäbe 4 - im Beispiel in Haarnadelform - eingelegt sind.

[0018] Figur 2.1 zeigt im Querschnitt einen in den Beton 2 eingelegten Formstab 5 nach Anspruch 3 mit Rippen 6 und in Figur 2.2 denselben Querschnitt mit dem nach dem Ausziehen des Formstabs 5 entstehenden bruchrauhen Innenflächen 7 des Spannkanals 3.

[0019] Figur 3.1 zeigt im Querschnitt einen in den Beton 2 eingelegten Formstab 8 nach Anspruch 5 mit mechanisch nach außen bewegbarem Verdrängungskörper 9 im Einbauzustand und in Figur 3.2 denselben Stab nach dem Ausschwenken des Verdrängungskörpers 9.

[0020] Figur 4.1 zeigt einen Formstab 10 nach Anspruch 6 mit schlauchartigem Mantel 11, der Zonen hoher Steifigkeit 12 und Zonen geringer Steifigkeit 13 aufweist; in diesem Fall werden die wechselnden Steifigkeiten durch unterschiedliche Wandstärken des Mantels 11 erzeugt.

[0021] Figur 4.2 zeigt denselben Querschnitt nach dem Aufpumpen des Mantels in noch weichem Beton 2. Dabei kann das Druckmittel durch Kanäle 14 im Mantel zu allen Zonen geringer Steifigkeit 13, durch deren Ausdehnung in den frischen Beton die Ausnehmungen 15 erzeugt werden, sich ausbreiten.

[0022] Figur 4.3 zeigt die Zonen geringer Steifigkeit 13 mit verbindenden Kanälen 14 in einer Aufsicht auf die Innenfläche des Mantels 11.

[0023] Figur 5.1 zeigt einen rohrförmig ausgebildeten Formstab 16 mit Perforationen 17 nach Anspruch 8, der im Innern eine aufpumpbare Membran 18 aufweist, im Querschnitt unmittelbar nach dem Einbau des Stabes.

[0024] Figur 5.2 zeigt denselben Formstab 16 nach Aufpumpen der Membran 18 und deren Ausweitung durch die Perforationen 17 unter Bildung von Ausnehmungen 19 im Beton 2.

[0025] Figur 6.1 und 6.2 zeigen einen Formstab 20 mit zahnartigem Element 21 nach Anspruch 17.

[0026] Figur 6.3 zeigt den durch Ziehen unter drehender Bewegung des Formstabs 20 entstandenen Spannkanal 22.

[0027] Figuren 7 u. 8 zeigen Ausführungsbeispiele nach Anspruch 9, bei denen der Formstab 23 einen schlauchförmigen Mantel 25, 28 mit Zonen größerer Steifigkeit 26, 29 und Zonen geringerer Steifigkeit 27, 30 aufweist. Der schlauchförmige Mantel wird durch Stauchung in Formstab-Längsrichtung auf dem Formstab verschoben, so daß sich die Zonen mit geringerer Steifigkeit aufwölben und dabei Ausnehmungen in dem frischen Beton erzeugen.

Ansprüche

1. Verfahren zur Schlupfminderung in einem dauerschwingbelasteten Fertigteil mit Vorspannung mit nachträglichem Verbund, dessen stählerne Spannstäbe in Spannkanälen verlegt sind, die mit Hilfe von in den Beton eingelegten, im Grünzustand des Betons gezogenen Formstäben geformt und nachträglich mit Verpreßmörtel verpreßt sind, dadurch gekennzeichnet,
daß der Verbund zwischen Spannstab (4) und Fertigteilbeton (2) durch Maßnahmen an mindestens einem der drei nachstehenden für den Verbund konstitutiven Faktoren gesteigert wird:

· Verbesserung des Verbunds zwischen Spannstab und Verpreßmörtel durch Einlegen kaltgezogener Spannstäbe, in deren sonst glatten Mantelfläche muldenförmig Vertiefungen eingepreßt sind.

· Erhöhung der Festigkeit des Verpreßmörtels durch Verwendung eines an sich bekannten Ankermörtels E1 der Firam Pagel oder eines gleichwertigen Mörtels als Verpreßmörtel.

· Verbesserung des Verbunds zwischen Verpreßmörtel und Fertigteilbeton durch Ausnehmungen in der Betonoberfläche des Verpreßkanals, die über den vom Formstab freigehaltenen Querschnitt hinausgehen, in für den gewünschten Verbund ausreichender Anzahl und Form versehen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an sich bekannte chemische Mittel, mindestens bereichsweise, auf dem Formstab aufgetragen werden, daß die Erhärtung des Betons im Nahbereich der von dem chemischen Mittel berührten Innenfläche des Spannkanals behindert wird und daß der nicht erhärtete Beton nach Erhärtung des übrigen Betons durch geeignete ebenfalls bekannte Mittel - z.B. Blasen, Bürsten, oder Spülen - aus dem Spannkanal entfernt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Formstab (5) mit Längsrippen (6), deren Zwischenräume sich mit Beton füllen zur Schalung des Spannkanals (3) verwendet wird, und daß der Formstab nach Einbringen und Verdichten des frischen Betons gezogen wird und dabei den zwischen den Rippen eingeschlossenen Beton unter Hinterlassung einer rauhen Bruchfläche (7) mitreißt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Einbringen des Betons örtlich aus der Mantelfläche des Formstabes Verdrängungskörper nach außen gedrückt werden, die an der Innenfläche des Spannkanals entsprechende Volumen des Betons verdrängen, daß die Verdrängungskörper unter Zurücklassung bleibender Ausnehmungen im Beton hinter die Mantelfläche des Formstabes eingezogen werden und danach der Formstab aus dem Beton gezogen wird.

5. Formstab (8) zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4, der vor dem Einbringen des Betons in die Schalung eingelegt und nach ausreichender Verdichtung des Betons im Grünzustand des Betons gezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdrängungskörper (9) aus formstabilem Material - z.B. Metall oder hartem Kunststoff- bestehen, die mechanisch aus dem Formstab (8) nach außen bewegbar sind.

6. Formstab (10) zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4, der vor dem Einbringen des Betons in die Schalung eingelegt und nach ausreichender Verdichtung des Betons im Grünzustand des Betons gezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß er von einem elastischen schlauchartigen Mantel (11) umhüllt ist, der im Wechsel Zonen (12) von hoher und Zonen (13) von geringer Steifigkeit aufweist und aufpumpbar ist, wobei nach dem Aufpumpen die Verdrängungskörper (15) im wesentlichen von den Zonen mit geringer Steifigkeit gebildet werden.

7. Formstab zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4, der vor dem Einbringen des Betons in die Schalung eingelegt und nach ausreichender Verdichtung des Betons im Grünzustand des Betons gezogen wird, dadurch gekennzeichnet,
daß der Formstab

· rohrförmig ist,

· aus elastischem dehnfähigem Material besteht,

· mit Wendeln oder im Abstand verlegten Ringen aus einem Material, daß gegenüber dem des Formstabes eine wesentlich geringere Dehnfähigkeit aufweist,
und

· aufpumpbar ist, und

daß der Ringabstand bzw. die Ganghöhe der Wendeln und die Wandstärke des Rohres so gewählt sind, daß sich in den bewehrungsfreien Abschnitten beim Aufpumpen des Rohres Verdrängungskörper von vorbestimmter Größe bilden.

8. Formstab (16) zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4, der vor dem Einbringen des Betons in die Schalung eingelegt und nach ausreichender Verdichtung des Betons im Grünzustand des Betons gezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß er als perforiertes Rohr (16) ausgebildet ist, das im Innern eine schlauchförmige, aufpumpbare Membrane (18) aufweist, die, indem sie durch die Perforationen (17) der Rohrwandung aus der Mantelfläche des Formstabes heraus ausdehnbar ist, die Ausnehmungen (19) im Spannkanal erzeugenden Verdrängungskörper formt.

9. Formstab (23,24)zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4, der vor dem Einbringen des Betons in die Schalung eingelegt und nach ausreichender Verdichtung des Betons im Grünzustand des Betons gezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Formstab (23,24) verschiebbar ein schlauchförmiger Mantel (25,28) angeordnet ist, der durch geeignete bekannte Mittel zur Wellenform zusammenstauchbar ist und die Wellenform durch Ziehen des Formstabs und/oder Zugeinwirkung auf den Mantel rückbildbar ist.

10. Formstab (23,24) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der schlauchförmige Mantel (25,28) ringförmige Zonen wechselnder Steifigkeit aufweist und daß die Zonen geringerer Steifigkeit (27.30) mit Hilfe des Stauchdrucks zu Wellen zwischen den Zonen größerer Steifigkeit (26,29) aufwölbbar und die Aufwölbungen durch Entspannen des Mantels (25,28) bzw. Ziehen des Formstabs (23,24) rückbildbar sind.

11. Formstab (23) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß im Mantel (25) die Zonen (26) größerer Steifigkeit aus einem Material bestehen, das gegenüber den Zonen (27) geringerer Steifigkeit einen höheren E-Modul aufweist.

12. Formstab (24) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zonen (29) größerer Steifigkeit eine gegenüber den Zonen (30) geringerer Steifigkeit größere Wanddicke aufweisen.

13. Formstab nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zonen größerer Steifigkeit durch Einlegen einer ringförmigen Bewehrung herstellbar sind.

14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit mindestens einem festen über die Mantelfläche hinausstehenden zahnartigen Element versehene Formstäbe in den Beton eingebaut und nach ausreichender Verdichtung und Formstabilität des Betons drehend aus dem Beton gezogen und gewindegangartige Ausnehmungen erzeugt werden, und danach der Spannkanal gereinigt wird.

15. Formstab zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 14, der vor dem Einbringen des Betons in die Schalung eingelegt und nach ausreichender Verdichtung des Betons im Grünzustand des Betons gezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die zahnartigen Elemente Bürstenform aufweisen.

16. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Formstab mit gewindeartiger Oberfläche verwendet wird, der mit drehender Bewegung schraubenartig aus dem formstabil verdichteten Beton herausbewegt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Formstab hergestellte Betonfläche des Spannkanals nach Erhärtung mit Hochdruckwasserstrahl aufgerauht wird.

18. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Betonfläche des Spannkanals durch die Perforation eines rohrförmigen Formstabs mit Vakuum behandelt und durch Absaugung der Zementschlempe entwässert, verfestigt und aufgerauht wird.

19. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aufgrund des verbesserten Verbundes der Spannstäbe im Fertigteilbeton die Endverankerungen der Spannstäbe nach ausreichender Erhärtung des Betons ausgebaut und wieder verwendet werden.

Zeichnung