Frost- bzw. Frost-Taumittel-Widerstand von Beton

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Ziel der Arbeit

3. Betonzusammensetzung
Zuschlag
Zement
Zugabewasser
Betonzusatzmittel
Betonzusatzstoffe

4. Einteilung des Betons in Expositionsklassen
Allgemeines
Expositionsklassen XF
Anforderungen an die Expositionsklassen XF
Frost- bzw. Frost-Taumittel-Widerstand von Gesteinskörnungen

5. Frostbeanspruchungen an Beton
Allgemeines
Vorgänge bei der Frosteinwirkung
Makroskopische Ursachen
Mikroskopische Ursachen
Schadensmechanismus
Verhalten von Bauwerken unter Frost-(Taumittel)Beanspruchung
Brückenkappen
Autobahnbrücken

6. Prüfverfahren
Allgemeines
Plattenverfahren (Slab-Test)
Würfelverfahren
CIF-Test
Allgemeines
Probekörper
Ablauf des Prüfverfahrens
Trockenlagerung
Vorsättigung durch kapillares Saugen
Frost-Tau-Belastung
Messungen
Oberflächenabwitterung
Flüssigkeitsaufnahme
Innere Schädigung
Bericht

7. Zusammenfassung

8. Literaturverzeichnis

1. Einleitung

Beton ist ein wichtiger Baustoff der heutigen Zeit. Er hat in den letzten Jahrzehnten eine enorme technische und qualitative Entwicklung durchlaufen. Mit diesem Baumaterial können heute Bauteile fertiggestellt werden, an die früher niemand gedacht hätte.

Beton kann als tragendes Bauteil eingesetzt werden und wird außerdem auch für architektonische Gesichtspunkte genutzt. Durch die zunehmende Belastung des Verkehrs, der Vielzahl neuartiger Techniken und des gewachsenen Anspruchs an Architektur und konstruktiven Vorgaben, werden auch in Zukunft hohe Anforderungen an den Beton gestellt. Als Außenbauteil ist der Beton sämtlichen Witterungseinflüssen ausgesetzt, die es gilt unbeschadet zu überstehen und das über einen längeren Zeitraum hinweg, denn die Bauteile sollen über mehrere Jahrzehnte den ihnen gestellten Anforderungen genügen.

Durch die Klimaveränderung auf der Erde gewinnt deshalb der Gesichtspunkt „Umwelteinfluss“ stark an Bedeutung. Hier spielt zum Beispiel der Frost – Tau – Wechsel eine Rolle, da der Beton innerhalb kürzester Zeit erst dem Frost und anschließend wiederum dem Tauen ausgesetzt ist und sich dieser Vorgang dann häufig wiederholt. Der Beton ist außerdem einem Angriff durch Taumittel ausgesetzt. Dies trifft in heftigster Form auf Betonstraßen zu /1/, die bei Schnee- und Eisglätte freigehalten werden müssen. Durch Verwendung dieser Taumittel wird dann nicht nur die Straße von den winterlichen Einwirkungen befreit, sondern gleichzeitig auch der Beton angegriffen.

Zum einen können Gesteinskörner aus dem Beton herausbrechen („pop-outs“) oder die Mörtelschicht an der Oberfläche des Betons kann durch die Frosteinwirkung abwittern („scaling“). Andererseits kann es auch passieren, dass es zu einer größeren Schädigung kommt. Hier ist die innere Gefügezerstörung zu nennen, die durch eine Rissbildung im Beton angedeutet wird („map-, durability-cracking“). Schlimmstenfalls besteht die Gefahr der Auflösung des Zementsteingefüges, was wiederum eine Zerstörung des Bauteils zur Folge hätte. Diese Zerstörungen müssten durch aufwändige Sanierungsmaßnahmen, beziehungsweise durch eine komplette Neuerstellung des Bauteils, behoben werden. Deshalb ist es notwendig sich vor der Erstellung eines Bauwerks Gedanken darüber zu machen, welchen Einwirkungen das Bauteil in seiner zukünftigen Lage ausgesetzt sein wird. Ein Bauteil im Innenbereich eines Bauwerks muss anders betrachtet werden wie ein Bauteil im Außenbereich, da es im Innenbereich nicht mit Witterungseinflüssen wie Regen oder Schnee in Berührung kommt. Erst dann kann es so hergestellt werden, dass es den Eingriffen „gewachsen“ ist und es nicht zu schwerwiegenden Angriffen bzw. zur Zerstörung eines Bauteils kommt.

Gerade aus diesem Grund ist es notwendig Untersuchungen durchzuführen, um einen durch Frost – Tau – Wechsel ausgelösten Zerstörungsmechanismus zu erklären. Nur dadurch ist ein qualitativ hochwertiger Beton herstellbar, der den gestellten Anforderungen genügen kann. Waren die Schäden durch Frosteinwirkungen durch Sicherheitsaufschläge der Konstrukteure und Planer bislang weitestgehend abgedeckt, so steigt in der heutigen Zeit deren Bedeutung stetig an, da die Eigenschaften der Betone auch aufgrund wirtschaftlicher Faktoren immer mehr ausgereizt werden.

Um weiterhin den hohen Qualitätsstandart des Baustoffes Beton halten und auch verbessern zu können, ist es notwendig weitere Forschungen bzw. Untersuchungen zu betreiben. Auch die gültigen Normen und Anwendungsregeln müssen anhand der Forschungsergebnisse angepasst werden.

2. Ziel der Arbeit

Es handelt sich bei dieser Arbeit um eine Literatur-Recherche. Das Ziel der Arbeit ist die Untersuchung des Verhaltens von Beton auf einen Frost- bzw. Frost-Taumittel-Angriff. Dabei ist als erstes zu klären was Beton überhaupt ist und aus welchen Materialien er sich zusammensetzt. Des weiteren soll erläutert werden welche Anforderungen der Beton aufweisen muss, um Frostsicherheit gewährleisten zu können. Es soll außerdem herausgefunden werden welche Vorgänge bei einer Frost- bzw. Frost-Taumittel-Einwirkung auf den Beton stattfinden und inwieweit die Porengrößen den Frost-Tau-Widerstand beeinflussen. In der Praxis vorgekommene Frost- bzw. Frost-Taumittel-Belastungen an Autobahnbrücken und Brückenkappen werden kurz vorgestellt. Anschließend soll darauf eingegangen werden welche Verfahren oder Prüfmethoden in der Vergangenheit entwickelt wurden, die die Schädigung durch einen Frost- beziehungsweise Frost-Taumittel-Angriff beschreiben und quantifizieren können. Auf ein spezielles Prüfverfahren, den CIF-Test, soll dann etwas näher eingegangen werden und zwei andere mögliche Prüfverfahren (Würfelverfahren und Plattenverfahren), die man zur Prüfung des Frost- bzw. Frost-Taumittel-Widerstands einsetzt, werden kurz angeschnitten.

3. Betonzusammensetzung

Beton ist im Wesentlichen ein Stoffgemenge aus Gesteinskörnung, Zement und Wasser. Zur Vereinfachung wird der Begriff Gesteinskörnung zukünftig als Zuschlag bezeichnet. Des Weiteren können aber auch noch Betonzusatzmittel oder Betonzusatzstoffe dem Beton zugegeben werden, um seine Eigenschaften zu verbessern.

Zuschlag

Der Zuschlag im Beton sind natürlich gewonnene oder künstlich hergestellte Gesteinskörnungen, gebrochen oder ungebrochen /2/, /3/. Weiterhin besteht auch die Möglichkeit rezyklierten Zuschlag einzusetzen, welcher aus Beton- oder Mauerwerksbruch aufbereitet wird. Als Zuschlag darf nur solches Material verwendet werden, welches unter Einwirkung von Wasser weder erweicht, noch sich zersetzt. Die Dauerhaftigkeit des Bauteils muss gewährleistet sein, deshalb darf der Zuschlag keine schädliche Verbindung mit den Zementbestandteilen eingehen. Bei bewehrten Bauteilen ist zusätzlich sicherzustellen, dass der Korrosionsschutz der Bewehrung gewährleistet wird. Die Einteilung des Zuschlags und die Abstufung der Korngröße zeigt Tafel 1.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Zuschläge werden in sogenannte Kornklassen (auch Fraktionen genannt) eingeteilt, wobei hier immer zwei benachbarte Siebweiten zusammengefasst werden (z.B. 1/2 oder 8/16). Das Zuschlaggemisch kann sowohl Überkorn als auch Unterkorn enthalten. Bei einem Zuschlaggemisch 8/16 wird der Zuschlaganteil, welcher größer als 16 Millimeter ist als Überkorn, derjenige, der kleiner als 8 Millimeter ist, als Unterkorn bezeichnet. Sind auch Korngrößen kleiner als 0,125 Millimeter vorhanden, spricht man von Mehlkorn.

Ein Zuschlaggemisch setzt sich aus mehreren Korngruppen zusammen. Der Kornaufbau wird anhand eines Siebversuchs ermittelt. Dabei werden die Mengenanteile einzelner Kornklassen im Zuschlaggemisch ermittelt. Anschließend wird der Kornaufbau grafisch als Sieblinie /4/, /5/ dargestellt. Der grundsätzliche Aufbau einer Sieblinie ist in Bild 1 dargestellt.

Die ermittelte Sieblinie wird mit Regelsieblinien verglichen und dementsprechend eingestuft. Regelsieblinien liefern Angaben für „günstige“ und „brauchbare“ Korngemische sowie für Ausfallkörnungen (= Fehlen mindestens einer Kornklasse). Je größer die Durchgangssumme ist, desto sandreicher ist das Zuschlaggemisch.

An den Zuschlag werden im Übrigen folgende Anforderungen gestellt. Er sollte

- möglichst druckfest sein,
- eine günstige Kornform haben (z.B. nicht plattig),
- möglichst frei von Bestandteilen sein, die die Erhärtung des Betons beeinträchtigen,
- einen möglichst hohen Frostwiderstand besitzen (vor allem bei Beton für Außenbauteile),
- möglichst frei von korrosionsfördernden Stoffen sein (bei bewehrtem Beton)
- und die „Packungsdichte“ des Zuschlaggemisches (Korngrößenverteilung) sollte möglichst groß sein.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Zement

Zement ist ein feingemahlenes hydraulisches Bindemittel für den Beton /2/, /3/, /6/. Mit Wasser angemacht erhärtet er sowohl an der Luft, als auch unter Wasser und bleibt unter Wasser ebenfalls fest und dauerhaft. Bei diesem Vorgang kommt es zu chemisch-physikalischen Reaktionen. Es bildet sich Zementleim (noch verarbeitbares, plastisches Zement-Wasser-Gemisch), der sich um die Zuschlagkörner hüllt und diese nach einer gewissen Erstarrungszeit zusammenhält. Diese Reaktion wird als „Erhärten durch Hydratation“ bezeichnet. Ist das Erhärten abgeschlossen und das Zement-Wasser-Gemisch nicht mehr verarbeitbar, spricht man von Zementstein. Dieser entstandene Zementstein ist wasserbeständig. Damit eine vollständige Hydratation erreicht werden kann, muss die Menge an Wasser mindestens 40 % des Zementgewichts betragen.

Es gibt eine Vielzahl unterschiedlicher Zementarten. Sie werden in folgende fünf Hauptzementarten unterteilt:

- CEM I Portlandzement
- CEM II Portlandkompositzement
- CEM III Hochofenzement
- CEM IV Puzzolanzement
- CEM V Kompositzement

Hauptbestandteile der Zemente sind:

- Portlandzementklinker (K)
- Hüttensand (S)
- Puzzolane (P,Q)
- Flugaschen (V,W)
- Gebrannter Schiefer (T)
- Kalkstein (L,LL) und
- Silicastaub (D).

Die Zemente werden in den Festigkeitsklassen 32,5; 42,5 und 52,5 hergestellt. Diese drei Klassen werden nach ihrer Anfangsfestigkeit nochmals unterteilt in:
- normale, übliche Anfangsfestigkeit (Kennbuchstabe N = Normal) und
- hohe Anfangsfestigkeit (Kennbuchstabe R = Rapid).

Die Einteilung der Zemente in die Festigkeitsklassen erfolgt nach Anfangs- und Normfestigkeit. Diese Festigkeiten werden durch Prüfung von Mörtelprismen entsprechend den DIN EN 196 /7/ festgelegten Regelungen ermittelt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Wie aus Tafel 2 ersichtlich, ist für die Festigkeitsklassen 32,5 und 42,5 die Normfestigkeit auch nach oben begrenzt. Die mittlere Festigkeit der in Deutschland hergestellten Zemente liegt nach den Ergebnissen der Eigen- und Fremdüberwachung in der Regel im oberen Drittel des in Tafel 2 angegebenen Bereichs der Normfestigkeit. Der Einfluss der Zementfestigkeit auf die Betonfestigkeit lässt sich nur abschätzen, da diese wesentlich auch vom Wasserzementwert, der Verdichtung und der Nachbehandlung des Betons abhängt.

Für eine eindeutige Zuordnung eines Normzements ist nach DIN EN 197-1 /8/ die Angabe der Zementart, der Normbezug, die Kurzzeichen der Zementart und weiterer neben Portlandzementklinker im Zement vorhandener Hauptbestandteile sowie die Festigkeitsklasse vorgeschrieben. Einige Beispiele dazu:

- Portlandzement der Festigkeitsklasse 42,5 mit hoher Anfangsfestigkeit:
Portlandzement EN 197-1 – CEM I 42,5 R
- Portlandkalksteinzement der Festigkeitsklasse 32,5 mit hoher Anfangsfestigkeit und 6 bis 20 M.-% Kalkstein (Gesamtanteil an organischem Kohlenstoff ≤ 0,20 M.-%):
Portlandkalksteinzement EN 197-1 – CEM II/A-LL 32,5 R
- Kompositzement der Festigkeitsklasse 32,5 mit normaler Anfangsfestigkeit mit einem Anteil an Hüttensand = 30 M.-% und Trass = 30 M.-%:

Kompositzement EN 197-1 – CEM V/A (S-P) 32,5 N

Zusätzlich zu den Normzementen gibt es auch Zemente mit besonderen Eigenschaften. Solche Dispositionen können niedrige Hydratationswärme (NW), hoher Sulfatwiderstand (HS) und niedriger wirksamer Alkaligehalt (NA) sein. Die Bezeichnungen NW, HS oder NA werden zur Normbezeichnung des Zements hinzugefügt.

Zugabewasser

Das beim Mischen von Beton zugegebene Wasser wird als Zugabewasser bezeichnet /2/, /3/, /9/, /10/, /11/, /12/. Es beeinflusst das Erstarrungsverhalten, die Festigkeitsentwicklung und die Dauerhaftigkeit des Betons. Außerdem kann es den Korrosionsschutz der Bewehrung gefährden. Ob das Wasser für die Herstellung von Beton geeignet ist, hängt von der Beschaffenheit des Wassers ab.

Nach DIN EN 1008 /13/ ist als Zugabewasser für Beton nach DIN EN 206-1/A2 /14/ bzw. DIN1045-2/A1 /15/ geeignet:

- Trinkwasser (Prüfung nicht erforderlich)
- Grundwasser (Prüfung erforderlich)
- Restwasser aus Wiederaufbereitungsanlagen der Betonherstellung (Prüfung erforderlich)
- Natürliches Oberflächenwasser (z.B. Fluss-, See-, Quellwasser) und industrielles Brauchwasser (Prüfung erforderlich)
- Meerwasser oder Brackwasser im Allgemeinen nur für unbewehrten Beton.

Als Wasser muss grundsätzlich Trinkwasser oder im Allgemeinen das in der Natur vorkommende Wasser verwendet werden, soweit es nicht Bestandteile enthält, die das Erhärten, andere Eigenschaften des Betons oder den Korrosionsschutz der Bewehrung ungünstig beeinflussen. Grundwasser, natürliches Oberflächenwasser und industrielles Brauchwasser kann geeignet sein. Wenn die Anforderungen der „Richtlinie für die Herstellung von Beton unter Verwendung von Restwasser, Restbeton und Restmörtel“ /16/ eingehalten werden, ist in der Regel auch Restwasser aus Recycling-Anlagen der Betonherstellung geeignet. Meer- und Bruchwasser ist für die Herstellung von Stahlbeton oder Spannbeton nicht geeignet. Zur Herstellung von unbewehrtem Beton kann es verwendet werden. Dabei ist auf den maximal zulässigen Gesamtchloridgehalt im Beton zu achten. Im Zweifelsfall ist die Unschädlichkeit durch chemische Untersuchung im Laboratorium zu prüfen.

Betonzusatzmittel

Betonzusatzmittel sind flüssige oder pulverförmige Stoffe /2/, /3/, /17/, /18/, die dem Beton in geringer Menge zugegeben werden (< 5 M.-% des Zementanteils) um durch chemische und/oder physikalische Wirkung Eigenschaften des Frisch- oder Festbetons (z.B. Verarbeitbarkeit, Erstarren, Erhärten, Frostwiderstand) zu verändern. Dabei muss gelegentlich auch die unerwünschte Änderung einer anderen Betoneigenschaft in Kauf genommen werden.

In Beton nach DIN EN 206-1/A2 /14/ bzw. DIN 1045-2/A1 /15/ dürfen nur Betonzusatzmittel nach EN 934-2 (CE-Zeichen) /19/ und DIN V 18998/A1 (Ü-Zeichen) /20/ unter Beachtung der „Anwendungsnormen“ DIN V 20000 Teil 100 /21/ bzw. 101 /22/ oder Betonzusatzmittel mit allgemeiner bauaufsichtlicher Zulassung verwendet werden. Die Betonzusatzmittel unterliegen bei der Herstellung einer Eigen- und Fremdüberwachung. Dabei wird neben der Gleichmäßigkeit und Wirksamkeit die Unschädlichkeit der Mittel gegenüber Beton und Bewehrung überprüft.

Die Zugabemengen müssen innerhalb der in Tafel 3 angegebenen Grenzwerte liegen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Da die Betonzusatzmittel nur in geringen Mengen dem Beton zugegeben werden, können sie bei der Stoffraumrechnung in der Regel vernachlässigt werden. Falls die Gesamtmenge flüssiger Zusatzmittel größer als 3 l je m³ Beton ist, muss die darin enthaltene Wassermenge bei der Berechnung des Wasserzementwerts berücksichtigt werden. Wird mehr als ein Zusatzmittel zugegeben, muss die Verträglichkeit der Zusatzmittel in der Erstprüfung untersucht werden.

Durch Zugabe von Zusatzmitteln sollen die gewünschten Betoneigenschaften zielsicher erreicht werden. Da die Wirkung der Zusatzmittel durch viele Faktoren, wie z.B. Art und Eigenschaften der Ausgangsstoffe, Betonzusammensetzung und Temperatur, beeinflusst wird, ist eine Eignungsprüfung unter praxisnahen Bedingungen notwendig.

Eine Aufstellung einiger Betonzusatzmittel mit chemischer/physikalischer und betontechnischer Wirkung zeigt Tafel 4.

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