Hot Weather Concreting - Investigation of fresh and hardened concrete properties

J. Neumann, M. Sc., Bochum

Unter Einbeziehung gegenwärtiger Klimaprognosen ist davon auszugehen, dass in den Sommermonaten zunehmend über mehrere Tage oder Wochen stagnierende sommerliche Hitzeperioden mit Lufttemperaturen über 30 °C auftreten werden. Bisherige Erfahrungen zeigen, dass bei solchen Wetterlagen – selbst bei Verlagerung des Betoneinbaus in die Nachtstunden – nicht sichergestellt werden kann, dass die bislang im Regelwerk festgeschriebene Obergrenze der Frischbetontemperatur von 30 °C beim Einbau eingehalten wird. Der Betoneinbau in den bisher geltenden
Temperaturgrenzen wird damit voraussichtlich zunehmend unvorhersehbar und der Bauablauf unzumutbar erschwert. Konsequenzen können sich infolge erhöhter Frischbetontemperaturen sowohl für die Verarbeitung als auch für den Festbeton ergeben. Wenngleich aus heißeren Ländern bereits Erfahrungen im Umgang mit Frischbetontemperaturen über 30 °C vorliegen und auch in Deutschland derzeit einschlägige Untersuchungen zu dieser Thematik im allgemeinen Betonbau durchgeführt werden, sind damit die speziellen Randbedingungen im Betonstraßenbau nicht hinreichend abgedeckt. Vor diesem Hintergrund bestehen für diesen Anwendungsbereich derzeit noch Unklarheiten bezüglich der Auswirkungen erhöhter Frischbetontemperaturen auf maßgebliche Frisch- und Festbetoneigenschaften. Aus den durchgeführten Laborversuchen ergibt sich, dass die Auswirkungen von sommerlich hohen Temperaturen sowohl auf die Frisch- und Festbetoneigenschaften signifikant sind, aber vor allem für die Verarbeitung eine Herausforderung darstellen können. Die Festbetoneigenschaften verschlechtern sich zwar, jedoch konnten die normativen
Grenzwerte in den Versuchen durchgehend eingehalten werden. Die Übertragbarkeit der erzielten Ergebnisse auf die Praxis wird im Rahmen des Forschungsvorhabens durch baustellenbegleitende Praxisversuche unter hochsommerlichen Randbedingungen derzeit untersucht.

Based on current climate projections, it is expected that during the summer months there will be an increasing number of prolonged heat waves lasting several days or weeks, with air temperatures exceeding 30 °C. Experience to date shows that under such weather conditions – even if concrete placement is shifted to nighttime hours – it cannot be guaranteed that the upper limit of 30 °C for fresh concrete temperature during placement, as currently stipulated in the regulations, will be adhered to. Concrete placement within the currently applicable temperature limits is therefore likely to become increasingly unpredictable, and the construction process will be unreasonably complicated. Increased fresh concrete temperatures can have consequences for both the placement process and the cured concrete. Although experience with fresh concrete temperatures exceeding 30 °C is already available from warmer countries, and relevant studies on this topic are currently being conducted in Germany in the field of general concrete construction, these do not sufficiently address the specific conditions encountered in concrete pavement construction. Against this background, there are currently still uncertainties regarding the effects of elevated fresh concrete temperatures on key fresh and hardened concrete properties in this application area. The laboratory tests conducted show that the effects of high summer temperatures are significant for both fresh and hardened concrete properties, but can pose a particular challenge for workability. Although the properties of hardened concrete deteriorate, the standard limit values were consistently met in the tests. The applicability of the results obtained to real-world conditions is currently being investigated as part of the research project through field trials conducted on construction sites under midsummer conditions. This article is based on parts of the ongoing research project commissioned by the Federal Ministry of Transport, represented by the Federal Highway and Transport Research Institute, under reference number 08.0272/2022/CGB. The author bears sole responsibility for the content.

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Literaturverzeichnis

A l e x a n d e r , K. M.; T a p l i n , J. H. (1962): Concrete strength, cement hydration and the maturity rule. Australian Journal of Applied Science, 13, AmericanEurasian Network for Scientific Information, Ma’an, 277–284

B o n z e l , J. (1961): Über den Einfluss erhöhter Zementund Betontemperaturen. Verein Deutscher Zementwerke e. V., Düsseldorf

Deutsches Institut für Normung e. V. (2011): DIN EN 1971: 201111: Zement – Teil 1: Zusammensetzung, Anforderungen und Konformitätskriterien von Normalzement; Deutsche Fassung EN 1971: 2011, DIN Media GmbH, Berlin

Deutsches Institut für Normung e. V. (2022): DIN 10453: Tragwerke aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton – Teil 3: Bauausführung – Anwendungsregeln zu DIN EN 13670. DIN Media GmbH, Berlin

E i c k s c h e n , E. (2003): Einflüsse auf die Luftporenbildung in Straßenbeton. beton, 5/2003, Verlag Bau+Technik GmbH, Düsseldorf, 265 ff.

Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen e. V. (2007): TL BetonStB 07 – Technische Lieferbedingungen für Baustoffe und Baustoffgemische für Tragschichten mit hydraulischen Bindemitteln und Fahrbahndecken aus Beton, FGSV Verlag, Köln

Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen e. V. (2015): TP BStB Teil 2.1.12 – Technische Prüfvorschriften für Verkehrsflächenbefestigungen – Betonbauweisen, Teil 2.1.12 – Maximale Verarbeitbarkeitszeit von Schnellbeton (Eintauchversuch mit Innenrüttler). FGSV Verlag, Köln

Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen e. V. (2017): TP BStB Teil 2.1.10 – Technische Prüfvorschriften für Verkehrsflächenbefestigungen – Betonbauweisen, Teil 2.1.10 – Luftgehalt von Frischbeton. FGSV Verlag, Köln 

Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen e. V. (2021): TP BStB Teil 2.1.09 – Technische Prüfvorschriften für Verkehrsflächenbefestigungen – Betonbauweisen, Teil 2.1.09 – Konsistenz von Frischbeton (Verdichtungsmaß). FGSV Verlag, Köln

G r ü n e w a l d , A.; P e c k , M. (2015): ZementMerkblatt S1 – Fahrbahndeckenbeton für Straßen, InformationsZentrum Beton GmbH, Erkrath

H e r m e r s c h m i d t , W. (2021): Zement- und Betoneigenschaften unter höheren Temperaturen, FGSV AK 8.2.8. Verein Deutscher Zementwerke
e. V., Düsseldorf

K im, J.K.; H a n , S. H.; S o n g , Y. C. (2002): Effect of temperature and aging on the mechanical properties of concrete Part I. Experimental results. Cement and Concrete Research 32, 1087–1094

K j e l l s e n , K. O.; L a g e r b l a d , B.; J e n n i n g s , H. M. (1997): Hollowshell formation – an important mode in the hydration of Portland cement. Journal of Materials Science, Jg. 32, Springer Science+Business Media, 2921–2927

K j e l l s e n , K. O.; D e t w i l e r , R. J. (1992): Reaction kinetics of portland cement mortars hydrated at different temperatures. Cement and Concrete Research Vol. 22, Nr. 1, 112–120

K ü c h l i n , D.; J ä g e r , F. (2016): Mischungsstabiler Beton mit PCEFließmitteln. HeidelbergCement AG, Newsletter Dezember 2016

L o c h e r , F. W. (2000): Zement: Grundlagen der Herstellung und Verwendung. Verlag Bau + Technik, Düsseldorf

L o t h e n b a c h , B.; W i n n e f e l d , F.; A l d e r , C.; Wi e l a n d , E.; L u n k , P. (2005): Einfluss der Temperatur und Lagerungsbedingungen auf die Festigkeitsentwicklung von Mörteln und Betonen. Beton 55 (12), Verlag Bau + Technik, Erkrath, 604–609

M o u r e t , M.; B a s c o u l , A.; E s c a d e i l l a s , G. (1997): Drops in Concrete Strength in Summer related to the Aggregate Temperature. Cement and Concrete Research, Vol. 27, No. 3, Elsevier Science Ltd. 345–357

N a s i r, M.; A l-A m o u d i , O.; A.Ga h t a n i , H.; Ma s l e h u d d i n , M. (2016): Effect of casting temperature on strength and density of plain and blended cement concretes prepared and cured under hot weather conditions. Construction and Building Materials, 112, 529–537

O r t i z , J.; A g u a d o , L.; A g u l l o , L.; G a r c i a , T. (2005): Influence of environmental temperatures on the concrete compressive strength: Simulation of hot and cold weather conditions. Cement and Concrete Research, 35, 1970–1979

P a r r o t t , L. J.; P a t e l , R. G.; K i l l o h , D. C.; J e n n i n g s , H. M. (1984): Effect of Age on Diffusion in Hydrated Alite Cement. Journal of the
American Ceramic Society, Jg. 67, Wiley Blackwell, 233–237

S t a r k , J.; W i c h t , B. (2013): Dauerhaftigkeit von Beton, 2. aktualisierte und erweiterte Auflage, Springer Vieweg, Berlin Heidelberg

Verein Deutscher Zementwerke (2002): Zement-Taschenbuch 2002, Bd. 50, Verein Deutscher Zementwerke e. V., Düsseldorf, Bau+Technik GmbH

Evaluation of measuring results from a full-scale pavement test to validate simulation computations

Dr.-Ing. R. Rabe, Bergisch Gladbach

Straßenaufbauten sind ständig wechselnden Einflüssen wie Verkehrsstärke, Achslasten, Achs- und Reifenkonfigurationen sowie klimatischen Randbedingungen ausgesetzt. Standardisierte empirische Methoden reichen für die Dimensionierung und die Substanzbewertung von Straßenaufbauten unter Berücksichtigung der genannten Einflüsse nicht mehr aus, da sie nur für die Randbedingungen gültig sind, unter denen sie ursprünglich entwickelt wurden. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass diese Methoden im Allgemeinen keine Materialeigenschaften wie Steifigkeit
und Ermüdungsverhalten vorsehen und zudem keine Berücksichtigung von Innovationen in der Baustofftechnologie ermöglichen. Vor diesem Hintergrund ist die Entwicklung und Anwendung analytischer, rechnerischer Dimensionierungsverfahren erforderlich. Hierzu steht bereits eine Reihe von Modellen wie z. B. die Linear-Elastische Mehrschichtentheorie oder die Finite Elemente Methode (FEM) und die entsprechenden softwaremäßigen Umsetzungen zur Verfügung. Im Rahmen einer rechnerischen Dimensionierung ist allerdings eine Vielzahl von Lastfallkombinationen aus Achslastklassen und Temperaturzuständen im Straßenaufbau zu berücksichtigen, sodass die Gesamtberechnungszeit innerhalb praktischer Grenzen gehalten werden muss. Dies kann in der Regel mit vereinfachten Strukturmodellen und Annahmen wie statischer Belastung, homogenen und isotropen Materialien und linear-elastischem Materialverhalten sowie optimierten Berechnungsalgorithmen erreicht werden. Hierzu wurde am Institut für Straßenwesen der RWTH Aachen im Rahmen des Forschungsprojekts „Verbesserung der Sicherheit und Wirtschaftlichkeit der rechnerischen Dimensionierung von Asphaltbefestigungen über ein Finite Elemente Modell“ ein semi-analytisches hybrides Rechenmodell unter Anwendung der FEM und der Fourier-Analyse entwickelt (SAFEM). Auf der praktischen Seite steht mit der sensorinstrumentierten Modellstraße in Asphaltbauweise im Maßstab 1:1 bei der Bundesanstalt für Straßen- und Verkehrswesen (BASt) eine Versuchsinfrastruktur zur Verfügung, mit der die Lücke zwischen Laborversuch und der Zustandserfassung von Straßen in situ geschlossen werden und eine Reihe von straßenbautechnischen Fragestellungen beantwortet werden kann. Insbesondere wird hiermit die experimentelle Validierung der theoretischen Berechnungsmethoden im Rahmen des hier vorgestellten Forschungsprojekts ermöglicht.

Road pavements are subject to constantly changing influences such as traffic volume, axle loads, axle and tire configurations and climatic boundary conditions. Standardized empirical methods are no longer sufficient for the structural design and assessment of pavements, considering the aforementioned influences, as they are only valid for the boundary conditions under which they were originally developed. Another drawback is that these methods generally do not provide for material properties such as stiffness and fatigue behaviour as well as innovations in material technology. Against this background, the development and application of analytical, computational design methods is essential. A number of theoretical models are already available for this purpose, such as the Linear Elastic Multilayer Theory or the Finite Element Method (FEM) and the corresponding software implementations. However, a large number of load case combinations of axle load classes and pavement temperature conditions must be considered in computational design procedures while keeping the total calculation time within practical limits. This can usually be achieved with simplified structural models and assumptions such as static loading, homogeneous and isotropic materials and linear-elastic material behaviour as well as optimized calculation algorithms. For this purpose, a semi-analytical hybrid calculation model (SAFEM) based on a combination of FEM and Fourier Analysis was developed at the Institute of Pavement Engineering at RWTH Aachen University within the research project FE 04.0259/2012/NGB “Improving the safety and cost-effectiveness of the analytical design of asphalt pavements using a finite element model”. On the practical side, the sensor-instrumented full-scale asphalt pavement test track at the Federal Highway and Transport Research Institute (BASt) provides a test infrastructure that can bridge the gap between laboratory testing and monitoring of road pavement conditions in situ and can answer a number of pavement engineering issues. In particular, the experimental validation of the theoretical calculation methods can be enabled within the framework of the research programme presented here.

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Literaturverzeichnis

FGSV (1994): Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Erdarbeiten im Straßenbau – ZTV E-StB 94, Ausgabe 1994/Fassung 1997, FGSV Verlag, Köln 1997

FGSV (1995): Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Tragschichten im Straßenbau – ZTV T-StB 95, Ausgabe 1995/Fassung
2002, FGSV Verlag, Köln 2002

FGSV (2001a): Richtlinien für die Standardisierung des Oberbaus von Verkehrsflächen – RStO 01, FGSV Verlag, Köln 2001

FGSV (2001b): Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für den Bau von Fahrbahndecken aus Asphalt – ZTV Asphalt-StB 01
FGSV Verlag, Köln 2001

FGSV (2006): Arbeitspapier Nr. 65: Mechanisches Verhalten von Asphalt in Befestigungen für Verkehrsflächen – Eingangsgrößen in die Bemessung (Materialkennwerte), Ausgabe 2006, FGSV Verlag, Köln 2006

FGSV (2009a): Richtlinien für die rechnerische Dimensionierung des Oberbaus von Verkehrsflächen mit Asphaltdeckschicht – RDO Asphalt 09, Ausgabe 2009, FGSV Nr. 498, FGSV Verlag, Köln 2009

FGSV (2009b): Arbeitsanleitung zur Bestimmung des Steifigkeits- und Ermüdungsverhaltens von Asphalten mit dem Spaltzug-Schwellversuch als Eingangsgröße in die Dimensionierung – AL Sp-Asphalt 09, Ausgabe 2009, FGSV 430, FGSV Verlag, Köln, 2009

FGSV (2024): Richtlinien für die rechnerische Dimensionierung des Oberbaus von Verkehrsflächen in Asphaltbauweise – RDO Asphalt 09/24, Ausgabe
2009/Fassung 2024, FGSV Nr. 498, FGSV Verlag, Köln 2024

O e s e r , M. (2004): Numerische Simulation des nichtlinearen Verhaltens flexibler mehrschichtiger Verkehrsflächenbefestigungen, Dissertation, Technische Universität Dresden 2004

O e s e r , M.; L i u , P. (2015): Verbesserung der Sicherheit und Wirtschaftlichkeit der rechnerischen Dimensionierung von Asphaltbefestigungen über ein Finite Elemente Modell, Schlussbericht zum Forschungsprojekt FE 04.0259/2012/NGB, im Auftrag des Bundesministeriums für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung, Institut für Straßenwesen RWTH Aachen 2015
 
R a b e , R. (2004): Bau einer instrumentierten Modellstraße in Asphaltbauweise zur messtechnischen Erfassung der Beanspruchungssituation im Straßenaufbau, Bericht zum AP-Projekt 03 342, Bundesanstalt für Straßenwesen, Bergisch Gladbach, 2004

R a b e , R. (2025): Bewertung von Messergebnissen aus Großversuchen an Straßenbefestigungen zur Validierung von Simulationsrechnungen, Dissertation, Technische Universität Dresden, Dresden, Bergisch Gladbach 2025