Frost-Tau- und Frost-Tausalzuntersuchungen

Diplomarbeit , 2003 , 115 Seiten , Note: 1,7

Ingenieurwissenschaften - Bauingenieurwesen

Beton ist der Baustoff der Zukunft. In den letzten Jahrzehnten hat dieses Baumaterial eine enorme technologische und qualitative Weiterentwicklung durchlaufen. In der zunehmenden Belastung des Verkehrs, der Vielzahl neuartiger Techniken und Bauweisen, aber auch am eben genannten gewachsenen Anspruch an Architektur und konstruktiven Vorgaben sind die Ursachen des enormen Bedarfs an leistungsfähigen Betonen zu suchen. Nicht nur Güte-Eigenschaften wie die zum Teil sehr großen Festigkeiten sollen diese Leistungsfähigkeit wiederspiegeln. Hohe Erwartungen werden ebenfalls an die Dauerhaftigkeit des Materials gestellt, da sie maßgeblich die Nutzungsdauer eines Bauwerks bestimmt. Die europäische Betonnorm, Grundlage der Planung dauerhafter Betonbauwerke, geht von einer mittleren Nutzungsdauer von 50 Jahren aus, die jedoch durch eine Vielzahl von Einwirkungen drastisch herabgesetzt werden kann. Gerade Umwelteinflüsse gewinnen in den kommenden Jahren durch die fortschreitenden Klimaveränderungen zunehmend an Bedeutung. In Mitteleuropa spielt dabei in der Winterperiode weniger die absolute, zumeist geringe Frosttemperatur eine Rolle, als vielmehr die häufig auftretenden Wechsel von Gefrier- und Auftauvorgängen (Frost-Tau-Wechsel) im Bereich des Nullpunktes. Verkehrswege werden in der Winterperiode aus Gründen der Sicherheit und Mobilität schnee- und eisfrei gehalten. Die Folge ist eine zusätzliche Belastung der Betone im Bereich des Brücken-, Straßen- und Flugplatzbaus, aber auch der Betonwerkstoffe, wie Plattenbeläge und Pflastersteine, durch den Einsatz von organischen Taumitteln in Form von technischen Harnstoffen wie Urea oder Frigantin und anorganischen Tausalzen wie Natriumchlorid. Hinzu kommen eine Vielzahl an weiteren Belastungen durch gasförmige Stoffe wie Kohlendioxide oder Chloride, Alkalien und Sulfaten in vielen Bereichen des Ingenieurbaus, Straßen- und Wasserbaus. Die stetig steigenden und in einer Vielzahl vorhandenen Einwirkungen auf den Beton haben zum Teil sehr komplexe Schadensbilder zur Folge. Das Ziel dieser Arbeit ist es, die Auswirkungen von Frost-Tau-Wechseln auf frostbeständige und frostunbeständige Zuschläge anhand mehrerer Prüfverfahren sowohl an den Gesteinskörnungen selbst als auch an Betonen verschiedener Festigkeitsklassen nachzuweisen und zu vergleichen. Die daraus resultierenden Ergebnisse werden Aufschlüsse über die notwendige Zusammensetzung verschiedener Betone unter dem Aspekt der Frostwiderstandsfähigkeit geben.

Inhaltsverzeichnis

Vorwort

Aufgabenstellung

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

1. Einleitung

2. Literaturüberblick
2.1 Stand der Wissenschaft
2.1.1 Einflussfaktoren auf den Frost- und Frost-Taumittelwiderstand
2.1.1.1 Zuschlagsstoffe
2.1.1.2 Betontechnologie
2.1.2 Physikalische Grundlagen der Zerstörung
2.1.3 Prüfverfahren
2.2 Gegenstand, Zielsetzung und Vorgehensweise der Untersuchungen

3. Vergleichende Untersuchungen der Zuschlagsstoffe.
3.1 Untersuchungsverfahren im Hinblick auf Frostwiderstand
3.2 Auswahlkriterien im Versuchsrahmen
3.2.1 Zuschlagsstoffe
3.2.2 Prüfverfahren
3.3 Die Versuchsreihen
3.3.1 Probenvorbereitung
3.3.2 Allgemeine Zuschlagsuntersuchungen
3.3.3 Frost-Tau-Wechselversuche
3.4 Analyse und Vergleich der vorliegenden Ergebnisse und Messdaten

4. Vergleichende Untersuchungen der Betone
4.1 Untersuchungsverfahren im Hinblick auf Frostwiderstand
4.1.1 Das CDF/ CIF -Verfahren
4.1.2 Das MPA -Verfahren
4.2 Die Auswahl der Betonrezeptur
4.2.1 Allgemeine Überlegungen zur Herstellung der Versuchsbetone
4.2.2 Mischungsberechnung
4.3 Der Versuchsablauf
4.3.1 Herstellung und Vorlagerung der Probekörper
4.3.2 Die Frischbetonuntersuchungen
4.3.3 Die Frost-Tauwechselversuche
4.3.3.1 CDF / CIF -Verfahren
4.3.3.2 MPA -Verfahren
4.3.4 Die Festigkeitsuntersuchungen
4.4 Analyse und Vergleich der vorliegenden Ergebnisse und Messdaten

5. Schlussbetrachtung und Zusammenfassung

6. Literaturverzeichnis

7. Anlagenverzeichnis

Vorwort

Die vorliegende Arbeit wurde unter der Leitung von Frau Prof. Dr.-Ing. Haase an der Fachhochschule Kiel, Fachbereich Bauwesen, in Eckernförde in Zusammenarbeit mit der Materialprüfanstalt Eckernförde angefertigt.

Im Rahmen meiner bisherigen Praxistätigkeiten war es mir möglich, einen Einblick in die Problematik der heutzutage häufig auftretenden Betonschäden zu gewinnen. Fehler in der Herstellung des Betons und in der Beurteilung der über die Jahre der Nutzung auftretenden Belastungen und Einflüsse auf ein Bauwerk führen häufig zu vermeidbaren Schädigungen, die nur unter hohem Aufwand beseitigt und korrigiert werden können.

Das Ziel meiner Arbeit ist es, einen Beitrag zur Weiterentwicklung von Beton zu leisten und die von mir erarbeiteten Untersuchungsergebnisse in diesen Entwicklungs-Prozess einfließen zu lassen.

Mein besonderer Dank gilt an dieser Stelle Frau Prof. Dr.-Ing. Haase für die interessante Themenstellung und Begleitung, sowie allen Mitarbeitern der MPA in Eckernförde, insbesondere Herrn Dipl.-Ing. Trampe, Herrn Engelbrecht und Herrn Lach für die Unterstützung vor und während der Versuchsreihen.

Ebenso danke ich Herrn Dipl.-Ing. Peer Heine der Universität Essen für seine hilfreichen Ratschläge und kritischen Anmerkungen, sowie meinen Kommilitonen Thorbjörn Petersen und Stephan Gaida für die fachliche Diskussion und deren Vorschläge und Verbesserungen.

Besonders danke ich Nina Christiansen für die umfassende Durchsicht und Korrektur dieser Arbeit und natürlich danke ich meinen Eltern, die mich während der Entstehungszeit unterstützt und begleitet haben.

Kiel, im Januar 2003

Patrick Kühl

Aufgabenstellung

Es sind vergleichende Untersuchungen an frostunbeständigen und frostbeständigen Gesteinskörnungen durchzuführen, mit dem Ziel, an damit hergestellten Betonen oberflächennahe Frostschäden zu erzielen.

Die Versuchsverfahren und Prüfungen sind normgerecht durchzuführen, wobei sowohl DIN- als auch EN-Vorschriften berücksichtigt werden sollen. Für die Frost-Tau-Wechselprüfungen sind CDF- und MPA-Verfahren an zwei verschiedenen Betonen mit und ohne zusätzlich eingeführten Luftporen anzuwenden.

Die erreichten Ergebnisse sind in angemessener Form sowohl schriftlich als auch grafisch darzustellen. Eine zusätzliche Auswertung soll anhand einer Fotodokumentation erfolgen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Fachbereich Bauingenieurwesen

Abbildungsverzeichnis

Abb. 1 : Schematische Darstellung eines porösen Gefüges mit konstantem Porenvolumen und unterschiedlicher Porenanzahl

Abb. 2 : Wirkungsweise einer Frost-Taumittelbeanspruchung

Abb. 3 : Gesteinskörnungen der Zuschlagsprüfung

Abb. 4 : 0/2mm Sand

Abb. 5 : Gesteinskörnungen im Probebehälter

Abb. 6 : Pyknometerverfahren

Abb. 7 : Verfahren zur Wasseraufnahme

Abb. 8 : Magnesium-Sulfat-Verfahren

Abb. 9 : Temperaturverlauf Frost-Tau-Wechselprüfung

Abb. 10 : Abwitterungen der Zuschläge in Masse-Prozent

Abb. 11 : Grafische Darstellung Magnesium-Sulfat-Widerstand

Abb. 12 : Grafische Darstellung Wasseraufnahme

Abb. 13 : CDF/CIF-Prüfsystem

Abb. 14 : Temperaturverlauf Frost-Tau-Zyklus des CDF/CIF – Verfahrens

Abb. 15 : Bohrkern im Längsschnitt – MPA-Verfahren

Abb. 16 : Ausbreitversuch – Bestimmung der Konsistenz 49-

Abb. 17 : Butylfolien-Abklebung

Abb. 18 : CDF-Prüfeinrichtung

Abb. 19 : Prüfeinrichtung zur Ultraschallmessung

Abb. 20 : Prüfbehälter MPA-Verfahren

Abb. 21 : Prüftruhe mit Behältern, MPA-Verfahren

Abb. 22 : Grafische Darstellung Druckfestigkeitsergebnisse

Abb. 23 : Verlauf des rel. dyn. E-Moduls des B25-Betons während des CDF-Verfahrens

Abb. 24 : Abwitterungen des B25-Betons während des CDF-Verfahrens

Abb. 25 : Feuchteaufnahme des B25-Betons während des CDF-Verfahrens

Abb. 26 : Feuchteaufnahme des B25-Betons während des MPA-Verfahrens

Abb. 27 : Abwitterungen des B25-Betons während des MPA-Verfahrens

Abb. 28 : Vergleich der Abwitterungsraten nach 8 Prüfungstagen B25

Abb. 29 : Verlauf des rel. dyn. E-Moduls des B35-Betons während des CDF-Verfahrens

Abb. 30 : Abwitterungen des B35-Betons während des CDF-Verfahrens

Abb. 31 : Abwitterungen des B35-Betons während des MPA-Verfahrens

Abb. 32 : Feuchteaufnahme des B35-Betons während des CDF-Verfahren

Abb. 33 : Feuchteaufnahme des B35-Betons während des MPA-Verfahren

Abb. 34 : Vergleich des rel. dyn. E-Moduls B25-B35 nach 16 Frost-Tau-Wechseln

Tabellenverzeichnis

Tab. 1 : Expositionsklassen XF1 - XF4 nach DIN 1045-2

Tab. 2 : Benennung des Zuschlag nach DIN 4226.83 (Alt)

Tab. 3 : Kategorien für Höchstwerte des Frostwiderstandes DIN 4226.01 (Neu)

Tab. 4 : Dauer der Betonnachbehandlung in Abhängigkeit der Umgebungsbedingungen

Tab. 5 : Übersicht der gängigen Frost- und Frost-Taumittelprüfverfahren

Tab. 6 : Bezeichnung der Frost-Prüfverfahren nach DIN 52104

Tab. 7 : Ergebnisse der Rohdichtebestimmung des Zuschlags

Tab. 8 : Ergebnisse der Schüttdichtebestimmung des Zuschlags

Tab. 9 : Ergebnisse der Wasseraufnahme

Tab. 10 : Ergebnisse der Kornfestigkeitsprüfung

Tab. 11 : Kategorien für Höchstwerte des Magnesiumsulfat-Widerstandes DIN EN 1367-2

Tab. 12 : Ergebnisse der Magnesium-Sulfat-Prüfung

Tab. 13 : Frischbetoneigenschaften

Tab. 14 : Ergebnisse der Festigkeitsuntersuchung

1. Einleitung

Beton ist der Baustoff der Zukunft. In den letzten Jahrzehnten hat dieses Baumaterial eine enorme technologische und qualitative Weiterentwicklung durchlaufen. Die erreichten Ergebnisse ermöglichen es uns schon heute, tragende Bauteile mit hohen Ansprüchen an die verschiedensten Umwelteinflüsse sowie die konstruktiven Vorgaben herzustellen.

In der zunehmenden Belastung des Verkehrs, der Vielzahl neuartiger Techniken und Bauweisen, aber auch am eben genannten gewachsenen Anspruch an Architektur und konstruktiven Vorgaben sind die Ursachen des enormen Bedarfs an leistungsfähigen Betonen zu suchen. Nicht nur Güte-Eigenschaften wie die zum Teil sehr großen Festigkeiten sollen diese Leistungsfähigkeit wiederspiegeln. Hohe Erwartungen werden ebenfalls an die Dauerhaftigkeit des Materials gestellt, da sie maßgeblich die Nutzungsdauer eines Bauwerks bestimmt. Die europäische Betonnorm, Grundlage der Planung dauerhafter Betonbauwerke, geht von einer mittleren Nutzungsdauer von 50 Jahren aus, die jedoch durch eine Vielzahl von Einwirkungen drastisch herabgesetzt werden kann. Gerade Umwelteinflüsse gewinnen in den kommenden Jahren durch die fortschreitenden Klimaveränderungen zunehmend an Bedeutung. In Mitteleuropa spielt dabei in der Winterperiode weniger die absolute, zumeist geringe Frosttemperatur eine Rolle, als vielmehr die häufig auftretenden Wechsel von Gefrier- und Auftauvorgängen (Frost-Tau-Wechsel) im Bereich des Nullpunktes. Temperaturhöchstwerte sind in diesen Regionen eher zu vernachlässigen, da sie meist unterhalb einer für den Beton kritischen Temperatur liegen.

Verkehrswege werden in der Winterperiode aus Gründen der Sicherheit und Mobilität schnee- und eisfrei gehalten. Die Folge ist eine zusätzliche Belastung der Betone im Bereich des Brücken-, Straßen- und Flugplatzbaus, aber auch der Betonwerkstoffe, wie Plattenbeläge und Pflastersteine, durch den Einsatz von organischen Taumitteln in Form von technischen Harnstoffen wie Urea oder Frigantin und anorganischen Tausalzen wie Natriumchlorid. Hinzu kommen eine Vielzahl an weiteren Belastungen durch gasförmige Stoffe wie Kohlendioxide oder Chloride, Alkalien und Sulfaten in vielen Bereichen des Ingenieurbaus, Straßen- und Wasserbaus. Die stetig steigenden und in einer Vielzahl vorhandenen Einwirkungen auf den Beton haben zum Teil sehr komplexe Schadensbilder zur Folge /1/.

Durch den winterlichen Witterungseinfluss in Form von einer hohen Feuchtigkeit und den häufigen Frost-Tau-Wechseln nimmt der Wassersättigungsgrad des Beton stetig zu. Ist

ein kritischer Wert erreicht, sind bleibende Schäden im Bauteil die Folge, die durch den Einsatz von Frost-Taumitteln zusätzlich verstärkt werden. Die Schädigungen durch einen Frost-Taumittelangriff kennzeichnen sich im Wesentlichen durch drei Merkmale /1/.

- Einzelne Zuschlagskörner können aus dem Beton herausbrechen („pop-outs“)
- Die oberflächennahe Mörtelschicht kann durch die Frosteinwirkung abwittern („scaling“).
- Es kommt zu einer inneren Gefügezerstörung, die sich durch Rissbildung im Beton andeutet („map-, durability-cracking“).

Im ungünstigsten Fall kommt es zur vollständigen Auflösung des Zementsteingefüges und zur Zerstörung des Bauteils. Folge dieser Schädigungen oder Zerstörungen sind umfangreiche Sanierungsmaßnahmen bis hin zur kompletten Neuerstellung eines Bauteils. Es ist daher zwingend notwendig, vor Erstellung des Bauwerks über die technischen Bestimmungen zur Vermeidung derartiger Schäden informiert zu sein /2/. Diese Bestimmungen in Form von Normen und Richtlinien müssen den sich ändernden, äußeren Umständen und Einflüssen immer wieder angepasst und verbessert werden.

Aus diesem Grund werden seit den 40er Jahren intensive Untersuchungen betrieben, den Zerstörungsmechanismus der Frost-Tau-Wechsel innerhalb des Betongefüges zu erklären. Es wurden über die Jahre mehrere Prüfverfahren entwickelt, die eine Einschätzung über möglicherweise entstehende Schäden aufgrund verschiedener Ausgangsvoraussetzungen einer Betonzusammensetzung ermöglichen sollen. Jedoch gewinnen diese Untersuchungen und Verfahren erst in der heutigen Zeit immer mehr an Bedeutung. Waren die Schäden durch Frosteinwirkungen durch Sicherheitsaufschläge der Konstrukteure und Planer bislang weitestgehend abgedeckt, so steigt in der heutigen Zeit, da die Eigenschaften der Betone, auch aufgrund wirtschaftlicher Faktoren, immer mehr ausgereizt werden, deren Bedeutung stetig an /3/.

Um auch weiterhin den hohen Qualitätsstandard des Baustoffes Beton, der sich über die Jahre entwickelt hat, zu gewährleisten und kontinuierlich zu verbessern, sind weiterführende Forschungen und Untersuchungen unumgänglich. Das Ziel dieser Arbeit ist es daher, die Auswirkungen von Frost-Tau-Wechseln auf frostbeständige und frostunbeständige Zuschläge anhand mehrerer Prüfverfahren sowohl an den Gesteinskörnungen selbst als auch an Betonen verschiedener Festigkeitsklassen nachzuweisen und zu vergleichen. Die daraus resultierenden Ergebnisse werden Aufschlüsse über die notwendige Zusammensetzung verschiedener Betone unter dem

Aspekt der Frostwiderstandsfähigkeit geben. Ebenso werden die heute gültigen Normen und deren Anwendungsregeln sowie die Brauchbarkeit verschiedener Prüfverfahren auf ihren Praxisbezug untersucht.

Dem experimentellen Teil dieser Arbeit ist nachfolgend ein Literaturüberblick vorangestellt, der die Grundlagen und physikalische Vorgänge nach heutigem Stand der Wissenschaft, aber auch gültige Normen und Prüfverfahren hinsichtlich der Frostwiderstandsfähigkeit von Beton und Zuschlagsstoffen erklären und verdeutlichen soll.

2. Literaturüberblick

Die Frostbeständigkeit von Beton und dessen Bestandteilen wird, wie angedeutet, seit den 40er und frühen 50er Jahren intensiv erforscht und geprüft. Ihren Ursprung haben diese Untersuchungen zum größten Teil in den USA, wo bereits 1945 Treval C. Powers die Hypothese der Schädigung des Beton durch den hydraulischen Druck aufstellte /4/. Ebenso stellte er als einer der ersten die Bedeutung des Luftporengehaltes von Beton im Hinblick auf seine Frostwiderstandsfähigkeit dar /5/. In Deutschland begann die Forschung und Untersuchung des Frostwiderstandes von Gesteinen bereits um die Jahrhundertwende auf geologischer Basis. Einer ersten großen Untersuchung der Auswirkungen von Frost auf Betonbauteile wurde 1940 durch den Arbeitsausschuss I des Deutschen Ausschusses für Stahlbeton zugestimmt. Im Rahmen dieser Untersuchung, berichtet von Prof. Dr.-Ing. Kurt Walz, wurde die Witterungsbeständigkeit von Betonplatten während einer 12jährigen Lagerung im Freien und unter Laborbedingungen beobachtet und wissenschaftlich ausgewertet /6/.

Im Laufe der nächsten Jahrzehnte wurden die bis dahin entwickelten Theorien und Hypothesen weiterentwickelt und konkretisiert. Die Mehrzahl der damals aufgestellten Grundsätze haben bis heute ihre Gültigkeit behalten. Ebenso wurde eine Vielzahl an Prüfmethoden entwickelt, die jedoch eine verlässliche und reproduzierbare Aussage über Beziehungen zwischen Betonzusammensetzung und Frostschädigungen bei Frost-Tau- Wechseln nicht zuließen. Anfang der 90er Jahre wurden Prüfverfahren wie der CDF-Test und CIF-Test entwickelt und durch das RILEM Technical Committee TC 117-FDC /7,8/ empfohlen. Diese Verfahren schaffen erstmals die Möglichkeit, reproduzierbare und übertragbare Ergebnisse zu erhalten. Ein einheitliches normatives Verfahren für die Prüfung des Frostwiderstandes an Betonen existiert trotzdem nur eingeschränkt. Der CIF- Test ist lediglich in die zusätzlichen technischen Vertragsbedingungen für Wasserbau, LB 219 „Schutz und Instandsetzung der Betonbauteile von Wasserbauwerken“ aufgenommen worden.

Die Anforderungen und Grenzwerte hinsichtlich Betonzusammensetzung und Eigenschaften von Beton bei Angriff durch Frost sind hingegen in der DIN 1045.88 /9/ formuliert und wurden in der Neufassung DIN 1045-2 /10/ noch erweitert. Die bisherige Einteilung nach Betonen mit besonderen Eigenschaften oder wesentlichen Anwendungsgebieten, wie beispielsweise Innen- oder Außenbauteile, wurde nicht in die Neufassung übernommen, da eine Übertragbarkeit in die Praxis nur eingeschränkt möglich ist. Eine präzisere Beurteilung der Umwelteinflüsse, insbesondere bestimmt durch den Grad der Wasser- und Tausalz-Sättigung, ist für die Festlegung der Betoneigenschaften zwingend notwendig. Die DIN 1045-2 /10/ gibt diese Präzisierung durch eine Unterteilung in verschiedene Expositionsklassen eines Frostangriffs vor (siehe Tab. 1) und ermöglicht somit eine genaue Auskunft über den höchstzulässigen Wasser/Zement-Wert, die Mindestfestigkeitsklasse und den Mindestgehalt des Zementes, sowie Anforderungen an den Zuschlag für verschiedene Umgebungsbedingungen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tab. 1 Expositionsklassen XF1 – XF4 nach DIN 1045-2 /10/

Die Einführung der Expositionsklassen macht die Betonherstellung technologisch sicherer und anspruchsvoller. Die neuartige Einteilung in unterschiedliche Umgebungsbedingungen, gerade im Bereich des Frostangriffs, kann schon in der Bemessung und Konstruktion der Bauteile stärker berücksichtigt werden als dies bislang der Fall war. Dennoch birgt eine immer präzisere Einschätzung der zu erwartenden Einwirkungen auf den Beton Risiken. So ist es zwingend erforderlich schon in der Planung genaue Untersuchungen dieser Einwirkungen durchzuführen. Eine fehlerhafte Beurteilung der vorliegenden Umweltbedingungen oder eine später auftretende Nutzungsänderung bzw. Erweiterung eines Bauwerks, zum Beispiel durch die Neuanbindung eines Verkehrsweges, kann die angewendete Expositionsklasse verändern und somit eventuelle Schädigungen des Bauteils zur Folge haben.

Auch die einzelnen Bestandteile des Beton wurden durch intensive Forschungen auf ihre Frostbeständigkeit untersucht. Die gegenwärtige Entwicklung lässt jedoch erkennen, dass

man bestrebt ist, den Baustoff Beton in seiner Gesamtheit zu betrachten. Die bislang gültige Norm zur Prüfung von Natursteinen und unter dem Einfluss von Frost-Tauwechseln /11/ wird hinsichtlich der Ergebnis-Übertragung von Versuchen an Gesteinskörnungen auf die spätere Betonmischung angezweifelt. Das Verhalten von Zuschlägen in diesen Prüfungen ist ein völlig anderes im Gegensatz zum Verhalten in der Mörtelmatrix, da sich Angriff und Belastungen eines Frost-Tau-Wechsel wesentlich unterscheiden. Es kann also als richtig betrachtet werden, Einflüsse von einzelnen Betonbestandteilen auch nur in der Gesamtheit und der Zusammenwirkung miteinander festzustellen und nachzuweisen. Die Neufassungen der zuvor angesprochenen Norm bestätigen diesen Ansatz nur bedingt.

Eine vorgeschriebene Einschränkung des Einsatzes verschiedener Zementarten durch die Normung besteht nicht bei reiner Belastung durch Frost. Ebenso sind keine Frostschäden bekannt, deren Ursache in der verwendeten Zementart begründet liegt /34/. Grundsätzlich kann gesagt werden, dass sich Portlandzemente für Betone mit hohem Frost- bzw. Frost- Taumittelwiderstand bewährt haben. Für Hochofenzemente wird keine generelle Aussage getroffen, da in der Praxis und in Laboruntersuchungen keine eindeutigen Ergebnisse erreicht wurden. Bei Betonen, die zusätzlich einer Taumittelbelastung ausgesetzt sind, wird jedoch durch die Norm und durch umfangreiche Untersuchungen eine Empfehlung ausgesprochen. Hüttensandreiche Zemente sind zum einen sehr nach- behandlungsempfindlich, zum anderen können aufgrund des sehr dichten Zementsteingefüges künstlich eingebrachte Luftporen nicht derart wirken, dass eine Steigerung des Frostwiderstandes möglich ist. Vergleiche zwischen verschiedenen Zementarten unter der Verwendung von Taumitteln zeigen /21/. Hier wird deutlich, dass die Abwitterungsraten stark variieren und der Zement direkten Einfluss auf die Frostbeständigkeit des Beton haben kann. Die Untersuchungen belegen eine deutlich höhere Abwitterungsrate bei Verwendung von herkömmlichen Hochofenzementen wie CEM III/B gegenüber Portlandzementen CEM I, was auf die Abwitterung der bereits durch die Karbonatisierung geschädigten Bereiche zurück zu führen ist. Diese anfänglichen hohen Oberflächenzerstörungen finden sich hingegen bei der Verwendung von Portlandzementen nicht wieder. Den Verlauf der Abwitterungen bildet hier eine typische exponentielle Kurve langsam ansteigender oberflächlicher Schädigung. Einen Bezug zur inneren Gefügeschädigung stellen /22/ dar. Aufgrund der dichteren Zementsteinstruktur stehen bei der Anwendung von Hochofenzementen zumeist große Abwitterungsraten nur geringen inneren Gefügeveränderungen gegenüber. CEM I-Betone hingegen zeigten bei hohen Abwitterungsraten auch erhebliche innere Schädigungen. Durch die Vielzahl der verschiedenen Untersuchungsergebnisse sollte bei der letztendlichen Auswahl des Zementes unter Einhaltung der gängigen Normung größtenteils auf Praxiserfahrungen zurückgegriffen werden /14/.

Allgemein zu sagen ist, dass seit der Nachkriegszeit die Auswirkungen einer Frost- und Frost-Taumittelbelastung auf Beton und seiner Bestandteile untersucht werden. Seit Beginn der 90er Jahre intensivieren sich diese Untersuchungen zunehmend. Die hierbei erreichten wissenschaftlichen Ergebnisse sollen im Folgenden genauer betrachtet werden.

2.1 Stand der Wissenschaft

2.1.1 Einflussfaktoren auf den Frost- und Frost-Taumittelwiderstand

Die Widerstandsfähigkeit gegen Frost und Taumitteleinsatz wird durch eine Vielzahl an Einwirkungen und Ausgangswerten sowie deren Zusammenspiel untereinander bestimmt. Eine grobe Unterteilung kann in die Auswahl der zu verwendenden Stoffe und in die Art der Herstellung und Nachbehandlung des Betons erfolgen. Nicht nur die Betonzusammensetzung ist also in diesem Zusammenhang wichtig. Die Umstände während der Herstellung, etwa Jahreszeit und Witterung, aber auch die Dauer und gerade der Umfang der Nachbehandlung sind entscheidende Kriterien für das Maß der Widerstandsfähigkeit eines Bauteils.

2.1.1.1 Betonzuschlagsstoffe

Zuschlagsstoffe in Form von Gesteinskörnungen verschiedener Größen bilden den Hauptbestandteil einer Betonzusammensetzung. Je nach Anforderung kann sich der Zuschlag aus künstlichem oder natürlichem dichtem oder porigem Gestein zusammensetzen. In wenigen Fällen können auch Metalle oder organische Stoffe verwendet werden. Eine Unterteilung erfolgt über die Korngröße in Korngruppen zumeist in Abhängigkeit ihrer Aufbereitungsart (siehe Tab. 2) /32/.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tab. 2 Benennung des Zuschlag nach DIN 4226.83 (Alt) /20/

Eine Vorauswahl der Gesteinskörnungen nach Art, Korngröße und geologischer Herkunft ist in Bezug auf die Widerstandsfähigkeit gegen Frost sinnvoll und anzuraten. Die DIN

/19/ gibt dazu weiterhin eine Unterteilung eines Zuschlaggesteins in seine Frostwiderstandsfähigkeit vor. Anhand von Befrostungen wird ein prozentualer Masseverlust durch Abwitterungen an den jeweiligen Körnungen festgestellt. Festgelegte Höchstwerte, die sich nach Anforderungen an den Zuschlag in 4 Kategorien aufteilen, dürfen nicht überschritten werden (siehe Tab. 3).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tab. 3 Kategorien für Höchstwerte des Frostwiderstandes DIN 4226.01 (Neu) /19/

Wie bei fast allen Baustoffen sind auch beim Zuschlag die Porenanzahl und deren Verteilung sowie die Porengröße hinsichtlich eines Frostangriffs von entscheidender Bedeutung. Hinzu kommt das Wassersättigungsvermögen eines Gesteins, das sich durch den vorhandenen Porenraum definiert. Typische Schadensbilder eines Frost-Angriffs auf reinen Zuschlag sind

- Abwitterungen und Abplatzungen
- Zerspringen einzelner Körner oder Steine
- Vollständige Zerstörung (Zerrieselung)

Nach heutiger Normung ist es nur für Zuschläge größer 4mm notwendig eine Frostprüfung am reinen Gestein durchzuführen. Es ist davon auszugehen, das kleine Gesteinskörnungen einen weniger ausgeprägten Porenraum besitzen als große Gesteinskörnungen des gleichen Zuschlags. Zwar können sich diese Poren schneller mit Wasser füllen, jedoch kann im Falle des Gefrierens dieses Wasser wieder schneller aus dem Korn entweichen /12/, so dass ein schädigender hydraulischer Druck nicht aufgebaut werden kann (s. a. Kapitel 2.1.2). Aber auch frostempfindliches Feinstkorn kann den Frostwiderstand des Beton drastisch herabsetzen. Dieses kann damit erklärt werden, dass feine Zuschlagskörner sehr viel schneller einen kritischen Sättigungsgrad erreichen können als grobe Zuschlagskörner. Durch einen hohen Anteil an feinen Sanden werden die Porosität und der Wasseranspruch enorm erhöht. Eine Einhaltung des geforderten Wasser-Zement-Wertes in Verbindung mit einer geforderten Verarbeitungskonsistenz ist

schwerer zu realisieren. Die DIN 1045.88 /9/ und auch ihre Neufassung /10/ sehen daher eine Begrenzung des Mehlkorngehaltes in Abhängigkeit des Zementgehaltes in der Betonzusammensetzung vor. Als ungeeignet und frostunbeständig werden in der Regel alle im bereits angewitterten und stark beanspruchten Zustand befindliche Gesteine sowie Kalkgestein, Schiefergestein und weiche Sandgesteine bezeichnet. Letztgenannte besitzen eine extrem hohe Porosität und ein gesteigertes Wasseraufnahmevermögen, das zur Schädigung des Gesteins während des Gefriervorgang führt. Einen weiteren Aspekt hinsichtlich der Zerstörung spielt gerade bei Grobzuschlägen die chemisch- mineralogische Zusammensetzung. Flinte, Feuerstein oder auch Kreide enthalten bis zu 20% chemisch gebundenes Wasser das bei Verwitterung freigesetzt wird und somit die Oberfläche porös und frostunbeständig werden lässt /12/.

Grobzuschläge über 4mm Korngröße können nach DIN 4226.83 /20/ bzw. DIN 52104 /11/ auf ihren Frostwiderstand überprüft werden. Eine Übertragung der erbrachten Ergebnisse am reinen Gestein unter Laborbedingungen auf das Verhalten im Beton ist allerdings nur bedingt möglich. Die verschiedenen Beanspruchungsgrade von Zuschlag innerhalb eines Betongefüges und einzeln befrostetem Zuschlag sind nicht vergleichbar. Eine Forderung besteht daher, die Auswirkungen von verschiedenen Zuschlägen direkt an Betonprobekörpern zu überprüfen. Dies gilt im Besonderen für die Feinkornanteile unter 4mm. Rückschlüsse aus der Zuschlagsprüfung am Grobkorn über 4mm können insoweit getroffen werden, als dass eine Beanspruchung innerhalb des Beton aufgrund der meist schwächeren Durchfeuchtung geringer ausfällt. Eine Schädigung der Betonoberfläche in Form von Abplatzungen oder Herausfrierungen von einzelnen Zuschlagskörnern („pop- outs“) ist aber auch nach einer bestandenen Frostprüfung nicht auszuschließen. Anhand von vorgestellten Untersuchungen am reinen Zuschlag können jedoch bedenkliche Gesteine ausgeschlossen und somit ein Anteil an später auftretender Schädigung des Beton durch den Zuschlag minimiert werden.

Ein Einsatz von Taumitteln wirkt sich hinsichtlich der beschriebenen Schädigungen am Zuschlagskorn noch stärker aus. Dies hat zum einen die gesteigerte kapillare Steighöhe und die damit verbundene höhere Flüssigkeitssättigung zum Grund als auch auftretende chemische Wechselwirkungen wie Chlorid-Diffusionen gerade mit calcitischem Gestein

/1/. Die in der DIN EN 1367-2 /13/ neu entwickelte Taumittel-gestützte Zuschlagsprüfung wird jedoch abgelehnt, da sich auch hier eine direkte Übertragbarkeit der stark auftretenden Zerstörung am Gestein nicht auf die Zustände innerhalb des Betongefüges übertragen lässt.

Ein weiterer Aspekt, der intensive Betrachtung findet, ist der Einsatz von Recyling-Material. Im Straßenbau wird der sogenannte RC-Zuschlag seit 1992 angewendet. Aus wirtschaftlichen und umwelttechnischen Gründen sind seit dieser Zeit verstärkt Einsatzmöglichkeiten des aus Sanierungen, Umbau- und Abbruchmaßnahmen entstehenden Materials für Hochbauten untersucht worden, die sich unter anderem auch auf die Frostbeständigkeit beziehen. Hierbei wurde festgestellt, dass rezyklierte Sande, also der Kornanteil kleiner 2mm, eine erhebliche Einwirkung auf die Dauerhaftigkeit und somit auch auf die Frostbeständigkeit haben. Sie führen zu hohen Saugmengen und schlechtem inneren Verbund des Zementsteingefüges. Luftporenmittel sind geeignete Maßnahmen, diese nachteiligen Eigenschaften von RC-Betonen zu kompensieren. Der Kornanteil größer 2mm hat dagegen einen geringen Einwirkungsgrad auf die Frostbeständigkeit. Eine maßgebliche Rolle spielt dabei jedoch die Herstellungsart des Grobgestein. Verschiedene Brechvorgänge des Ausgangsmaterial verursachen Gefügelockerungen oder Anrisse in den einzelnen Körnern, die sich im Falle einer Frosteinwirkung negativ auswirken. Wird der Zuschlag allerdings nur an seinen schwächsten Stellen durch geeignete Verfahren, z.B. mittels Prallmühle, gebrochen, so entsteht ein Material mit wesentlich besseren Frostwiderstandsvorrausetzungen. Recyling-Material bietet daher auch unter dem Aspekt der Frosteinwirkungen eine umweltfreundliche und wirtschaftlich interessante Alternative zu herkömmlichen Zuschlägen.

2.1.1.2 Betontechnologie

Unter dem Begriff Betontechnologie wird in diesem Fall die Herstellung, Verarbeitung und Nachbehandlung unter verschiedenen Witterungseinflüssen eines Beton verstanden. Ein hoher Grad an Widerstand gegen Frost- und Frost-Taumitteleinwirkungen bestimmt sich nicht nur durch die Zusammensetzung, sondern in weitreichendem Maße auch durch Rahmenbedingungen während der Herstellungs- und Erhärtungsphase. Eine zielsichere Herstellung eines Beton mit besonderen Eigenschaften bereitet aufgrund der Vielzahl an zu berücksichtigenden Einflüssen immer wieder Probleme. Die komplexere Zusammensetzung und mögliche Fehleranfälligkeit erfordert daher eine intensive Qualitätsüberwachung und Sorgfalt.

Die Porosität und damit die Anzahl und Größe der Luftporen in einem Betongefüge sind entscheidend für seine Widerstandsfähigkeit gegen Frost. Die DIN 1045-2 gibt für Betone mit besonderen Eigenschaften bei Angriff durch Frost einen Mindestluftporengehalt von 4-Vol% vor. Das Erreichen dieser Vorgabe setzt in der Praxis eine ausreichende

technische Ausstattung und ein ausreichend erfahrenes Personal voraus. Eine Vielzahl von Faktoren wie Art, Menge und Zugabeverfahren des LP-Mittel, Temperatur bei Herstellung, Transport und Einbau des Beton, Art und Dauer des Mischens sowie Art und Dauer von Transport und Verdichtung bestimmen die Größe, Anzahl und Verteilung der Luftporen im Beton.

Die erforderliche Dosiermenge eines Luftporenmittels stellt die höchsten Ansprüche dar. Sie kann nur durch sorgsame Versuche unter Berücksichtung eines ausreichenden Vorhaltemaßes bestimmt werden. Herstellerangaben bewegen sich im Bereich von 2- 50ml pro kg Zement. Veränderungen der Einbaubedingungen oder der Mischungszusammensetzung sind immer wieder zu kontrollieren und zu berücksichtigen. Der Beton sollte intensiv gemischt werden, um eine gute Verteilung des LP-Mittel zu gewährleisten. Da gröbere Luftporen trotzdem während des Transportes zur Einbaustelle entweichen können, ist es notwendig, die geforderten Eigenschaften vor dem Einbau nochmals nachzuweisen und zu überprüfen. Auch die Temperatur spielt eine maßgebliche Rolle, da sie die Zugabemenge an LP-Mittel bestimmt. Bei einer niedrigeren Temperatur ist weniger Zugabemittel notwendig als bei einer höheren. Der letztendliche Einbau des Beton in die Schalung und die damit verbundene Verdichtung kann ebenfalls Auswirkungen auf den Luftporengehalt haben. Es ist zwar eine sorgfältige Verdichtung notwendig, jedoch besteht die weit verbreitete Annahme, dass durch den Verdichtungsvorgang die Luftporen wieder aus dem Gefüge ausgetrieben werden. Dies ist nur bedingt richtig. Bei steifen Betonen werden, wenn überhaupt, nur die großen Anteile ausgetrieben, die für den Frostwiderstand ohnehin belanglos sind. Bei weicheren Konsistenzen können dagegen auch kleinere Poren geschlossen werden. Es ist ratsam, die Verdichtungsvorgänge zeitlich kurz und gleichmäßig über den gesamten Beton zu verteilen. Grundsätzlich spricht aber nichts gegen den Einsatz von Verdichtungsgeräten bei Betonen mit künstlichen Luftporengefügen /14/.

Das hohe Maß an technischen und personellen Anforderungen sowie die verminderte Druckfestigkeit eines Beton führen meist dazu, das LP-Mittel keine Anwendung im Herstellungsprozess finden, obwohl eine Frostbeanspruchung zu erwarten ist. Das Ziel vieler Bemühungen ist es daher, ein Verfahren oder Zugabemittel zu entwickeln, die in ihrer Anwendung wesentlich einfacher zu handhaben sind und trotzdem gleiche oder sogar bessere Eigenschaften als künstliche Luftporen besitzen. Die bereits erreichten Ergebnisse teilen sich in 3 verschiedene Bereiche ein. Zum einen werden dem Beton als Luftporenersatz feste Bestandteile wie Mikro- oder Kunststoffhohlkugel beigemengt. Hierbei besteht die Schwierigkeit, ein Produkt zu entwickeln, das möglichst klein und gegen mechanische Beanspruchung beständig ist und zudem keine Wassersättigung

zulässt. Eine weitere Untersuchungsreihe beschäftigt sich damit, dem Beton Zusatzmittel zur Verbesserung der Dichtigkeit in Form von Wachsen oder Kunststoffen beizumengen. Der höhere Gefügeverbund soll dadurch ein Eindringen von Taumittellösungen erschweren. Die dritte Möglichkeit beinhaltet den Einsatz von Oberflächenabdichtungen und Imprägnierungen, um das Eindringen von Wasser oder Taumittellösung gänzlich zu vermeiden /15/. Die bislang erreichten Ergebnisse zeigen, dass die untersuchten Verfahren ernsthafte und wirtschaftlich vertretbare Verbesserungen in Bereichen darstellen, in denen der Frost- und Frost-Taumittelwiderstand gegeben sein muss und der Einsatz eines LP-Mittels nur schwer zu verwirklichen ist .

Wichtig für einen hohen Frostwiderstand ist die Nachbehandlung. Junger Beton muss gegen vorzeitiges Austrocknen und schädliche Umwelteinflüsse durch geeignete Maßnahmen geschützt werden, damit die gewünschten Festbetoneigenschaften erreicht werden können. Dies betrifft nicht nur die Widerstandsfähigkeit gegen Frostangriff, sondern ist allgemein gültig während der Erhärtungsphase. Trotz der nachweislichen Notwendigkeit erlangt die Nachbehandlung meist nur ein geringes Maß an Betrachtung. 1984 wurde daher eine Richtlinie vom Deutschen Ausschuss für Stahlbeton herausgegeben, in der die Nachbehandlungsdauer in Abhängigkeit von Beton- zusammensetzung, Umwelteinflüssen und Temperatur sowie deren Ausführungsart festgesetzt ist (siehe Tab. 4). Die Dauer der Nachbehandlung hängt wesentlich von der Festigkeitsentwicklung des Betons ab und muss so bemessen sein, dass auch die oberflächennahen Zonen eine ausreichende Festigkeit und Dichtheit des Betongefüges erreichen. Gegenüber herkömmlichem Beton sollte die Dauer der Nachbehandlung eines frostbeanspruchten Bauteils erhöht werden. Die Folgen zu frühen Wasserverlustes sind eine geringere Festigkeit an der Oberfläche und eine größere Wasserdurchlässigkeit. Der Beton verliert damit die wichtigsten Vorraussetzungen, um einen Angriff durch Frost unbeschadet überstehen zu können. Als geeignete Maßnahmen haben sich ein flächendeckender Auftrag eines Nachbehandlungsmittels und bei extrem hohen Temperaturen von +30°C und mehr zusätzlich ein Nässen der Betonoberfläche bewährt. Bei Bauteilen geringeren Ausmaßes ist eine Abdeckung durch Folie meist ausreichend. Extrem niedrige Temperaturen hingegen können die Festigkeitsentwicklung des Beton verzögern. Unterhalb von +5°C verläuft der Erhärtungsprozess nur noch sehr langsam ab. Zum Schutz können geeignete wärmedämmende Matten verlegt oder das Bauteil durch eine Eindeckung mit Planen künstlich beheizt werden. Die aufgestellten Nachbehandlungszeiten und -arten erweisen sich nach eingehender Untersuchung von

/23/ als durchaus praxisgerecht und tragen im Regelfall zu einer Erhöhung des Frost- Tausalz-Widerstand eines Beton bei.

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Tab. 4 Dauer der Betonnachbehandlung in Abhängigkeit der Umgebungsbedingungen.

Der positive Einfluss einer Zwischentrocknung vor dem ersten Frostangriff gibt Anlass für weitergehende Überlegungen über den Bauablauf. Der kritische Wassergehalt kann durch eine Trocknung des Beton reduziert und somit eine Schädigung durch den Beginn der Frost-Tau-Zyklen minimiert werden. Es kann also bereits in der Bauplanung eine später bestehende Belastung durch Frost berücksichtigt werden, indem der Bauablauf jahreszeitlich so geplant wird, das eine ausreichende Hydratation bereits vor Eintreten einer Kälteperiode abgeschlossen ist.

Die Nachbehandlung ist nicht nur zur direkten Vermeidung eines schlechten Frostwiderstandes des Beton zwingend notwendig, ebenso spielt die Karbonatisierung eine wichtige Rolle. Ihr Einfluss auf den Frost-Taumittelwiderstand hängt ursächlich mit der Menge an karbonatisierbaren Substanzen im Zementstein, also der Zementauswahl zusammen. Die Karbonatisierung bewirkt bei Verwendung von Portlandzementen zwar eine Gefügeverdichtung und eine Porositätsverringerung, bei der Verwendung von hüttensandreichen, also Hochofenzementen, jedoch eine Vergröberung der Porenstruktur gerade in der empfindlichen Betonrandzone. Die daraus entstehende Verminderung der Dauerhaftigkeit einer Betonoberfläche hat auch eine Verminderung des Widerstands gegen Frostangriff zur Folge.

Zu der Herstellung eines Beton mit hohem Frost- und Frost-Taumittelwiderstand ist zusammenfassend zu sagen, dass in einem größeren Umfang als bei gewöhnlichen Betonen Voruntersuchungen zu tätigen und auf eine genaue Ausführung und Anwendung sämtlicher Regeln zu achten ist. Dies gilt nicht nur für bauausführende Firmen oder Betonwerke, sondern gerade auch für die Arbeit im Labor, deren Ergebnisse maßgeblich zu einer zielsicheren und technisch einfachen Herstellung beitragen können.

2.1.2 Physikalische Grundlagen der Zerstörung

Reine Frostschäden an einem Betonbauteil begründen sich vorwiegend auf die Sprengwirkung des gefrierenden Kapillarporenwasser. Die Wissenschaft legt hierbei verschiedene Effekte zugrunde.

Wasser erfährt im Phasenübergang von Flüssigkeit zu Eis eine etwa 9%ige Volumenzunahme. Gefriert also das Porenwasser, muss ein um 9% größeres Wasservolumen durch das Betongefüge aufgenommen werden oder an die Oberfläche expandieren. Ist während des Gefriervorgangs kein ausreichender Raum zur Ausdehnung vorhanden, entsteht auf das Betongefüge ein hydraulischer Druck (Hydrodynamischer Effekt). Dieser kann Größenordnungen von bis zu 250 N/mm² erreichen. Je nach Festigkeit können die daraus entstehenden Spannungen elastisch aufgenommen werden oder es entstehen Gefügelockerungen bis zur vollständigen Zerstörung des Beton.

Die Porosität und die Porengrößenverteilung sind für die Aufnahme der Kräfte entscheidend und zeichnen daher ein Betongefüge in hohem Maß für seine Widerstandsfähigkeit gegen Frost aus. Die Anzahl und die Größe der Poren bestimmen den Wassersättigungsgrad und das Eindringen von Taumittellösungen. Je größer solche Poren sind desto geringer ist das kapillare Saugvermögen, d.h. je geringer ist die Wassersättigung. Man unterscheidet drei verschiedene Porenarten :

- Gelporen
- Kapillarporen
- Luftporen und Verdichtungsporen

Gelporen und Kapillarporen sind natürliche, im Betongefüge vorhandene Poren. Luftporen werden künstlich während des Herstellungsprozess in den Beton eingebracht. Sie besitzen gegenüber den Kapillarporen ein um den Faktor 10 größeres Volumen von ca.

10-2000 mm. So können sie zum einen den Durchfeuchtungsvorgang unterbrechen und zum anderen dem im Betongefüge einfrierenden Wasser genügend Ausweichraum bieten (siehe Abb. 1). Damit sich kein gefügeschädigender Druck aufbauen kann, dürfen diese Poren jedoch einen maximalen Abstand untereinander von 0,25mm nicht überschreiten. Dieser Abstandsfaktor AF wurde bereits in den 40er Jahren von T.C. Powers /5/ entwickelt und gilt auch heute noch als Kennwert für die Widerstandsfähigkeit von Beton gegen Frost. Gemäss Norm SIA 162/1 hat Beton mit einem AF = 0,20mm eine hohe und Beton mit AF=0,25mm eine tiefe Frostbeständigkeit.

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Abb. 1 Schematische Darstellung eines porösen Gefüges mit konstantem Porenvolumen und unterschiedlicher Porenanzahl.

Ein hydraulischer Druck kann ebenso entstehen, wenn ein noch ungefrorener Anteil an Porenwasser im Inneren des Betongefüges durch bereits verschlossene Porenkanäle oder gefrorene Zementsteinumgebung eingeschlossen ist. Somit besteht keine Möglichkeit der Verdrängung des überschüssigen Wasservolumens (Hydrostatischer Effekt).

Ein Fortschreiten der Zerstörung durch Eisbildung ist auf das vorhandene Dampfdruckgefälle zwischen Porenwasser und bereits gebildetem Eis zurückzuführen. Der Dampfdruck von Eis nimmt mit zunehmender Temperatursenkung stärker ab als der des reinen Porenwassers. Diese Differenz wird innerhalb des Gefüges durch einen Flüssigkeitstransport ausgeglichen. Es fließt Porenwasser aus feinen Luftporen zu bereits

gefrorenen Bereichen. Die Eisbildung kann so auch ohne weitere Temperatursenkung fortschreiten und der hydraulische Druck wird zusätzlich verstärkt /1/. Die Theorie des kapillaren Effektes begründet hier gleichzeitig, warum Wasser aus feinen Poren noch fließen kann, während der Gefriervorgang schon eingesetzt hat. Es besteht danach ein porengrößenabhängiges Gefrierverhalten. Wasser gefriert bei abnehmender Temperatur zuerst in großen Poren bevor es sich bei weiterer Absenkung auch auf die feine Porenstruktur erstreckt. Durch Oberflächenkräfte wird der Gefrierpunkt um bis zu 60°C herabgesenkt, und zwar umso stärker je kleiner die Pore ist. In /24/ werden diese aufgestellten Theorien durch das Modell der Mikroeislinsenpumpe verdeutlicht. Da das ungefrorene Wasser wie beschrieben bei Abkühlung durch den vorherrschenden Unterdruck aus den Gelporen zum Eis wandert und somit das Gel schwindet, ist der Umkehrschluss, dass bei einer Erwärmung eine Ausdehnung des Gels stattfindet und aus der Umgebung Wasser aufgesogen wird. Demnach ist ein Frost-Tau-Wechsel primär ein zusätzlicher Sättigungsprozess in Form einer Mikroeislinsenpumpe zum isothermen kapillaren Saugen und erst nach Erreichen eines kritischen Wertes ein Zerstörungsmechanismus.

Begünstigt werden diese Effekte durch frostunbeständigen Zuschlag im Betongefüge, der sich durch seine hohe Porosität auszeichnet. Hier treten zum großen Teil dieselben Zerstörungseffekte (Hydraulischer Druck) wie am eigentlichen Zementstein auf. In der Regel weisen Gesteinskörnungen, die als Zuschlagsstoff Verwendung finden, eine weitaus geringere Porosität auf als der sie umgebende Zementstein. Wird nun ein Zuschlagsgesteins verwendet, das eine hohe Anzahl an großen Poren aufweist, kann auch hier das vorhandene Porenwasser gefrieren und einen hydraulischen Druck erzeugen. Durch das vorher beschriebene Dampfdruckgefälle würde noch zusätzliches Wasser aus dem Zementstein zu den Zuschlagskörnern gezogen. Dies hätte eine Zerstörung des Zuschlag/Zementstein-Verbundes zur Folge. Unter normalen Bedingungen treten die oben genannten Effekte jedoch weit aus weniger stark auf. Zumeist ist eine komplette Durchfeuchtung einzelner Bauteile, und somit die kritische Wassersättigung von 91,7%, nicht vorhanden. Das Porengefüge bietet so in den meisten Fällen genügend Ausweichraum. Im Porenwasser gelöste Salze senken den Gefrierpunkt zusätzlich weiter ab.

Ein weiterer Effekt, dem teilweise eine größere Bedeutung zugemessen wird als dem des hydraulischen Drucks durch gefrierendes Kapillarporenwasser, entsteht durch unterschiedliche Temperaturausdehnungskoeffizienten (aT-Wert) von Zementstein und Zuschlägen. Aufgrund unterschiedlicher mineralischer und chemischer Zusammen-

setzung besitzen Gesteinskörnungen verschiedene aT-Werte, aus deren Differenz zum Temperaturausdehnungskoeffizienten von Zementstein ebenfalls erhebliche Gefüge- spannungen entstehen können.

Bei einer Frosteinwirkung in Verbindung mit Taumitteln treten, entgegen der reinen Schädigung durch Frost, Besonderheiten in der physikalischen Zerstörung des Betongefüges und der Oberfläche auf. Taumittel entziehen dem schmelzenden Eis Lösungswärme. Die Temperatur der entstehenden Tausalzlösung sinkt in sehr kurzer Zeit rapide ab und die Betonoberfläche erleidet einen sogenannten Temperaturschock. Durch das Konzentrationsgefälle des Salzgehaltes wird der Gefrierpunkt im Inneren des Beton weniger herabgesenkt als an der Oberfläche. Das vorhandene Temperaturgefälle kann nun dazu führen, dass oberflächennahe wie auch tiefe Schichten gefrieren, Zwischenschichten davon aber ausgenommen bleiben. Ähnlich dem hydrostatischen Druck bei in Poren eingeschlossenem Wasser, kann hier bei späteren Gefriervorgängen ein Sprengdruck auf die obere und untere Schicht wirken (siehe Abb. 2). Dies führt zu typischen Abplatzungen an der Betonoberfläche.

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Abb. 2 Wirkungsweise einer Frost-Taumittelbeanspruchung.

Schädigungen durch Frost- oder Frost-Taumittelbeanspruchung an Beton lassen sich durch weitere Mechanismen wie den Kristallisationsdruck, chemischen Wechselwirkungen zwischen Taumitteln und Zementstein oder den osmotischen Druck erklären. Diese Vorgänge bleiben aber im Rahmen dieser Arbeit unberücksichtigt, da ihr Anteil am Schädigungsmechanismus nach der Auffassung der meisten Autoren vernachlässigbar klein oder nicht durch geeignete Messung quantifizierbar ist /1/.

2.1.3 Prüfverfahren

Mindestens ebenso wichtig wie die richtige Auswahl der Ausgangsstoffe oder die korrekte Herstellung und Nachbehandlung des Beton sind geeignete Prüfverfahren, um Frost- und Frost-Taumittelschäden unter Laborbedingungen zu bestimmen und Zusammenhänge verschiedener Faktoren deutlich zu machen. Im Laufe der Jahre wurden viele Prüfmethoden entwickelt, von denen allerdings wenige wissenschaftlich brauchbare Ergebnisse liefern konnten. Es war kaum möglich, Ergebnisse in einem ausreichenden Rahmen auf die Praxis zu übertragen, noch konnten diese in verschiedenen Prüfinstituten genügend reproduziert werden. Die Anforderungen an ein Prüfverfahren im Hinblick auf einen Frostschädigungsnachweis beruhen vor allem auf der Gleichartigkeit der Ausgangs- sowie Prüfbedingungen. Dazu zählen in erster Linie die Kennwerte der Prüfkörper. Sie müssen unter gleichen Bedingungen, bestimmt durch Temperatur, Probenalter und Feuchtegehalt, hergestellt, gelagert und vorbehandelt werden. Des weiteren dürfen keinerlei Streuungen der Messergebnisse durch unterschiedliche Verfahrensweisen innerhalb des Prüfrahmens, also etwa unterschiedliche Behälterformen, Flüssigkeitssättigungen der Probekörper oder Kühlleistungen der Prüfgeräte, entstehen. Nicht zu vergessen ist hierbei allerdings auch, dass ein Prüfverfahren eine in der Praxis auftretende Belastung unter Laborbedingungen nur näherungsweise simulieren kann. Man spricht daher auch von einer Frost-Imitationsprüfung. Trotzdem konnte keines der bis dato entwickelten Verfahren diese Ausgangsbedingungen hinreichend erfüllen, so dass bislang keine einheitliche normative Prüfung entstanden ist. Einige wenige Prüfverfahren zeigen jedoch gute Erfahrungen, insbesondere in der Korrelation der Laborergebnisse mit der Praxis, zu denen besonders das erst in den 90er Jahren von Setzer /16/ entwickelte CDF-/CIF-Verfahren zählt. Kein anderes Prüfverfahren weist bislang eine derart umfassende Analyse der Präzisionsdaten und Randbedingungen auf. Es ist davon auszugehen, dass dieses Verfahren Bestandteil einer normativen Frost- und Frost- Taumittelprüfung im Zuge der Umstellung auf Euro-Normen sein wird.

Generell können Frostprüfverfahren in indirekte und direkte Bestimmungsverfahren unterteilt werden. Indirekte Nachweise werden über eine Darstellung der Zusammenhänge zwischen Frostwiderstand und Kennwerten der Betonprobe, wie Luftporengehalt, Art des Porengefüges oder Wasseraufnahmevermögen, geführt. Direkte Prüfverfahren setzen den Probekörper gezielt einer Frost- oder Frost-Taumittelbelastung aus, wobei die Bewertung des Widerstandes über eine visuelle Beurteilung, Messungen des Abwitterungs-, Volumen- oder Festigkeitsverlustes erfolgt. Ein Überblick über die gängigen Prüfverfahren und deren Rahmenbedingungen gibt Tabelle 5.

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Tab. 5 Übersicht der gängigen Frost- und Frost-Taumittelprüfverfahren

Die dargelegten unterschiedlichen Randbedingungen der einzelnen Verfahren zeigen, dass ein direkter Ergebnisvergleich nicht möglich zu sein scheint. Unterschiedliche Gefriertemperaturen und unterschiedliche zeitliche Einwirkungen lassen darauf schließen, dass es auch zu unterschiedlichen, nicht vergleichbaren Schädigungen an den Probekörpern kommen muss. In der Regel sollte trotzdem ein Vergleich zweier oder mehrerer Prüfmethoden möglich sein, da alle eine Aussage über das gleiche Merkmal, den Widerstand gegen Frost- und Frost-Taumittel, aufzeigen. Ringversuche über verschiedene Prüfinstitute haben in den 80er Jahren jedoch Gegenteiliges ergeben. Hier wurden die damals meist verwendeten Prüfverfahren VDZ, DBV, ÖNORM B 3306 und

BDB einem Vergleich hinsichtlich Arbeitsaufwand, Messwertstreuung, Schadensdifferenzierung und Reproduzierbarkeit unterzogen. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse legten eine Nicht-Vergleichbarkeit der einzelnen Prüfmethoden offen. Zugleich konnten aber Bestandteile einer Prüfung, wie etwa die Beurteilung einer Frostschädigung durch Auffangen der abgewitterten Bestandteile, auf ihre Aussagekraft untersucht und beurteilt werden. Aufbauend auf diesen Ergebnissen wurde schließlich das CF-Verfahren entwickelt, das die wichtigsten Parameter, Temperaturbelastung und Feuchtigkeitsaufnahme, gegenüber den gängigen Verfahren präzisierte. Eine Weiter- entwicklung führte zum CDF-Test und letztendlich, durch eine zusätzliche Untersuchung der inneren Gefügeschädigung mittels Ultraschalluntersuchungen, zum CIF-Test. Da diese Verfahren im Rahmen dieser Arbeit zur Anwendung kommen werden, findet sich eine ausführliche Verfahrensbeschreibung in Kapitel 4.1.1 des experimentellen Teils.

Ein allgemeiner Nachteil in allen Prüfverfahren ist der hohe Zeit- und der damit verbundene Kostenfaktor. Um zeitraffend eine eventuelle Lebensdauer von bis zu 50 Jahren eines Bauteils zu simulieren, sind erhebliche Anstrengungen bezüglich der Prüfpräzisierung über einen langen Zeitraum notwendig. Da in der heutzutage zumeist in kurzer Zeit und mit geringen Kosten Ursachen einer Schädigung nachzuweisen sind, wurden bereits Schnellverfahren einer Frost- und Frost-Taumittelprüfung entwickelt und vorgeschlagen, deren Ergebnisse nahezu vergleichbar mit denen der herkömmlichen Verfahren sind. Es bleibt abzuwarten, in welchem Umfang und unter welchen Bedingungen ein Prüfverfahren zur Ermittlung des Frost- und Frost-Taumittelwiderstands an Betonprobekörper den Weg in einen normativen Rahmen findet.

Die Prüfung am reinen Zuschlag ist in Deutschland in der DIN 4226, Teil 3 sowie in der Ausführungsnorm DIN 52104, Teil 1 festgelegt. Im Zuge der Einführung europäischer Normen wurden jedoch die Prüfung am reinen Zuschlag in der DIN EN 12371 /17/ auf Naturwerksteine eingeschränkt und Prüfungen an Gesteinskörnungen in der DIN EN 1367

/18/ verankert. Einer Forderung nach einer Prüfung des Zuschlags an der Betonprobe, wie es bereits in Österreich durch die ÖNORM B3304 und den USA durch das Prüfverfahren „Kritische Längeränderung“, ASTM C-671-86 Anwendung findet, wird nur teilweise Rechnung getragen. Eine ausführliche Erläuterung der geltenden Normung sowie der in dieser Arbeit durchgeführten Zuschlagsprüfungen sind in Kapitel 3 des experimentellen Teil erläutert.

2.2 Gegenstand, Zielsetzung und Vorgehensweise der Untersuchungen

Die vorliegende Arbeit wird auf der Basis der vorangestellten wissenschaftlichen Erkenntnisse und Probleme Untersuchungen zur Frost- und Frost-Taumittelbeständigkeit von Beton und dessen Zuschlägen behandeln. Um eine Vielzahl an Einflüssen erfassen zu können, werden sowohl verschiedene Prüfverfahren als auch unterschiedliche Betone und Zuschläge Verwendung finden. Um der noch gängigen Praxis gerecht zu werden, wurden die Betone nach der DIN 1045.88 /9/ in der Altfassung hergestellt.

Innerhalb der Versuchsreihen werden zwei Betone verschiedener Festigkeitsklassen und Ausgangsvoraussetzungen den Prüfungen unterzogen. Beide Betone werden jeweils mit frostbeständigem und einem Anteil an frostunbeständiger Körnung hergestellt und untersucht. Um innerhalb der Frostbelastungen gezielt die Auswirkungen verschiedener Zuschläge auf die Schädigung nachzuweisen, sind die jeweiligen Vergleichsbetone identisch herzustellen. Sowohl die eigentliche Betonzusammensetzung als auch Luftporengehalte und vorgegebene Konsistenz sollten nicht voneinander abweichen. Lediglich ein prozentualer Anteil an frostunbeständiger Körnung bildet den Unterschied. Verwendet werden frostbeständige Splitte der Körnungen 5/8 und 8/16mm aus Schweden sowie für den Feinanteil 0/2mm Sand aus örtlichen Kieswerken. Der frostunbeständige Anteil wird als 8/16mm Kornanteil eingebracht und besteht aus verschiedenen bedenklichen Gesteinen einer Alkali-Abscheidung wie Flint, Opal und Kalk- und Kreidehaltiger Gesteine.

Die Betone der Festigkeitsklasse B25 werden unter der Vorrausetzung eines hohen Frostwiderstandes mit deren gültigen Grenzwerten hergestellt. Die B35-Betone erhalten zusätzlich einen künstlichen Luftporenanteil, um die Einhaltung eines Widerstands gegen Frost-Taumittelbelastung zu gewährleisten sowie einen gleichartigen Zement höherer Festigkeit, um die unterschiedlichen Betonfestigkeiten zu erreichen.

Ziel der Versuchsreihen ist es, eine eindeutige Oberflächenschädigung durch Frostangriff an den Probekörpern herzustellen. Im günstigsten Fall sollen sich einzelne Zuschlagskörner aus dem Zementsteingefüge lösen und herausspringen („pop-outs“). Die dazu notwendigen Prüfungen werden zu Beginn am reinen Zuschlag in Anlehnung an die DIN 4226.83 /20/ sowie deren Ausführungsnorm DIN 52104 /11/ durchgeführt. Das folgende Kapitel 3 beinhaltet eine ausführliche Beschreibung der ausgeführten Arbeiten und der erreichten Ergebnisse sowie deren Analyse.

Gleichzeitig sind verschiedene hergestellte Betonprobekörper gezielt einer Frostbelastung durch 2 verschiedene Verfahren auszusetzen. Durch eine zeitliche Abstimmung sämtlicher Herstellungsvorgänge, Vorversuche und Lagerungszyklen ist gewährleistet, dass sich alle Probekörper zu Beginn der Frostprüfungen in einem identischen Zustand befinden. Mittels Fotodokumentation und grafischer Auswertung der Versuchsergebnisse sollen die Auswirkungen auf die einzelnen Betone dargestellt und miteinander verglichen werden. Eine ausführliche Beschreibung der durchgeführten Versuche und Voruntersuchungen sowie der Ergebnisanalyse ist in Kapitel 4 dargelegt.

3. Vergleichende Untersuchungen der Zuschlagsstoffe

3.1 Untersuchungsverfahren im Hinblick auf Frostwiderstand

Die Frostwiderstandsprüfung von Zuschlägen ist in Deutschland normativ geregelt. Die DIN 4226.01 /19/ in ihrer Neufassung legt Anforderungen an normale und schwere, natürliche sowie industriell hergestellte Gesteinskörnungen in mehreren Teilen für Beton und Mörtel fest. Untersuchungsverfahren sind durch Verweise auf andere Regelwerke eingebunden und festgesetzt. Die bislang gültige Ausführungsnorm DIN 52104 /11/ gibt

15 verschiedene Prüfverfahren A-Q, untergliedert nach Art der Probe und der Wassertränkung im Rahmen der Frost-Tau-Wechsel-Versuche an (siehe Tab. 6).

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Tab. 6 Bezeichnung der Frost-Prüfverfahren nach DIN 52104.

Im Zuge der Einführung einheitlicher europäischer Normen wird die DIN 52104 /11/ jedoch abgelöst und ihr Inhalt in mehrere Einzelwerke unterteilt. So regelt in Zukunft die DIN EN 12371 /17/ die Prüfverfahren A und B zur Bestimmung des Frostwiderstandes an Natursteinen und die DIN EN 1367 /13,18/ in verschiedenen Teilen die Prüfverfahren zur Bestimmung der thermischen Eigenschaften und Verwitterungsbeständigkeit von Gesteinskörnungen; zur Bestimmung des Frost-Tauwiderstands ist lediglich das Verfahren N in Teil 1 übertragen. Die Festlegungen werden allerdings erst dann übernommen, wenn das Euro-Normenpaket vollständig vorliegt. Eine Übergangszeit ist bis Dezember 2003 vorgesehen und ermöglicht somit weiterhin eine Prüfung nach DIN 52104.

Die wichtigste Neuerung der Euro-Normen ist die Einführung eines Prüfverfahrens des Frost-Tausalzwiderstandes am Zuschlag. Während nach alter Normung in Widerstand gegen Frost bei mäßiger und starker Durchfeuchtung des Betons unterschieden wurde und lediglich herkömmliches Leitungswasser als Prüfflüssigkeit Verwendung fand, ist in der neuen Normung ein Nachweis über die Magnesiumsulfat-Widerstandsfähigkeit /13/ eingeführt. Sie gibt Auskunft über die Widerstandsfähigkeit einer Gesteinskörnung unter der Einwirkung von Taumittel-Lösungen. Im Rahmen dieses Nachweises ist es erstmals möglich, Zuschlagsprüfungen an Betonproben durchzuführen, die von Fachleuten seit längerer Zeit gefordert werden. Sie bleiben aber lediglich eine Alternativmöglichkeit für den Fall, dass die Anforderungen an die Gesteinskörnungen innerhalb der reinen Zuschlagsuntersuchungen nicht eingehalten werden können. Ein übergreifendes Nachweisverfahren für den Frost- und Frost-Taumittelwiderstand des Zuschlags ausschließlich an Betonproben ist weiterhin nicht vorgesehen.

Neben den Frostprüfverfahren gemäss DIN 4226.83 /20/ existieren weitere Untersuchungsmethoden, die teilweise auch Taumittel einschließen. Die Variationen beruhen zumeist auf der Art der Prüfflüssigkeit, der Anzahl der Frost-Tau-Zyklen und der Auswahl der Probebehälter sowie der Probenmenge. So wird im Beutelfrostverfahren ein verschweißter Plastikbeutel mit etwa 700g Gesteinsproben einer 6-stündigen Frost-Tau- Belastung in destilliertem Wasser ausgesetzt. Die Auswertung erfolgt weiterhin nach den Beurteilungskriterien der DIN 4226.83. Das an der RWTH Aachen, Institut für Gesteinshüttenkunde entwickelte GHI-Verfahren hingegen beinhaltet die Prüfung verschiedener Naturgesteine unter der Verwendung unterschiedlicher Taumittellösungen und gibt auch eigene Grenzwerte zur Beurteilung der Frost-Taumittelbeständigkeit des Zuschlags an.

Trotz der verschiedenartigen Verfahrensabläufe und somit Einwirkungen auf die Gesteinsproben innerhalb der Prüfverfahren kann hinsichtlich der Verwendung in Betonen nur bedingt eine Übertragung der Ergebnisse vollzogen werden. Durch eine Vielzahl an Versuchen ist nachgewiesen, dass Schädigungen durch eine Prüfung an Zuschlägen in loser Form weitaus stärker ausfallen als durch vergleichbare Prüfungen an Betonen, beispielsweise nach der ÖNORM B 3304. Dieser Umstand wird dadurch erklärt, dass grobe Gesteine in loser Körnung eine höhere Wassersättigung erfahren als im Betonverbund. Ihre Berechtigung finden die Frostprüfungen an Gesteinen daher zu einem großen Teil in der Beurteilung über die Verwendung im Straßenbau; im Rahmen der Betonherstellung sind Vergleichsprüfungen an einer Betonzusammensetzung ratsam.

3.2 Auswahlkriterien im Versuchsrahmen

3.2.1 Zuschlagsstoffe

Zur Ermittlung des Frostwiderstandes von Zuschlägen durch Vergleichsuntersuchungen wurden 3 verschiedene Gesteinskörnungen ausgewählt (siehe Abb. 3). Die frostbeständigen Anteile bildeten Splitte in den Körnungen 5/8mm und 8/16mm, die zur Zeit der Untersuchungen im Frischbetonwerk der Firma Siemsen in Eckernförde als handelsübliche Zuschläge zur Betonherstellung eingesetzt wurden. Herkunft des Materials

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Abb. 3 : Gesteinskörnungen der Zuschlagsprüfung

ist Schweden. Splitte sind aus natürlichem Felsgestein gebrochene und maschinell zerkleinerte Gesteinskörnungen, lieferbar in den Körnungen 5/11mm bis 22/32mm. Mehrfach gebrochenes Material heißt Edelsplitt und liegt auch in kleineren Korngrößen vor. Durch die hohe Festigkeit und die daraus resultierende geringe Wasseraufnahmefähigkeit der Natursteine erreichen Splitte, insbesondere Edelsplitte, einen hohen Grad an Frostbeständigkeit und Widerstand gegen Verschleiß.

Die frostunbeständige Körnung entstammt der Abscheidungsanlage für alkali- empfindliches Gestein der Kieswerke Andresen in Damsdorf, Kreis Bad Segeberg. Es handelt sich hierbei weitestgehend um poröse Flinte, Opalsandsteine und kreideartige

Gesteine. Sie enthalten reaktionsfähige Kieselsäure, die mit Alkalien des Zementes oder durch eingebrachte Zusätze, beispielsweise Tausalze, reagieren und zu Ausblühungen, Ausscheidungen und Absprengungen von Zuschlagskörnern führen können. Durch die hohe Porosität, geringe Dichte und das damit verbundene hohe Wassersättigu ngsvermögen des Gesteins ist eine Frostbeständigkeit meist nicht gegeben.

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Abb. 4 0/2mm Sand

3.2.2 Prüfverfahren

Der in den Betonversuchen verwendete Sand der Körnung 0/2mm (siehe Abb. 4) ist nicht Bestandteil der Frostprüfungen am reinen Zuschlag. Die DIN 52104 /11/ sieht vor, dass nur Körnungen > 4mm auf Ihre Frostwiderstandsfähigkeit untersucht werden müssen. Die Sande kleinerer Korngrößen enthalten aufgrund ihrer geologischen Beanspruchung und des geringen Porenraumes der Einzelkörner im allgemeinen nur sehr wenig frostanfällige Bestandteile, deren Anteil an einer Gesamtschädigung vernachlässigt werden kann.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Prüfverfahren N der Frost-Tau-Wechsel-Versuche angewendet. Es ist sowohl Bestandteil der alten Norm DIN 52104 /11/ als auch ausschließliches Prüfverfahren der neuen DIN EN 1367-1 /18/ und erfüllt daher den nötigen Bezug zu der noch üblichen Praxis in der Übergangsphase zur einheitlichen europäischen Normung.

[...]

• Hochschule: Fachhochschule Kiel (Fachbereich Bauingenieurwesen, Institut für Baustofftechnologie)
• Note: 1,7
• Autor: Dipl.-Ing. (FH) Patrick Kühl (Autor:in)
• Erscheinungsjahr: 2003
• Seiten: 115
• Katalognummer: V10789
• ISBN (eBook): 9783638171250
• ISBN (Buch): 9783638698078
• Sprache: Deutsch
• Schlagworte: Beton, Gesteinskörnungen, Frost, Taumittel, Tausalz, Zuschlag