Frost- bzw. Frost-Taumittel-Widerstand von Beton

Diplomarbeit von Carsten Flohr

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.

Gang der Untersuchung:

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.

Inhaltsverzeichnis:

Textprobe:

Kapitel 5.3, Makroskopische Ursachen:

Die ungleichen Temperaturausdehnungskoeffizienten von Zementstein und Zuschlag sowie ein rapider Temperatursturz können bei normgerecht hergestelltem Beton als Schadensursache praktisch ausgeschlossen werden /38/. Das schichtenweise Gefrieren ist beim Frost-Taumittel-Angriff um so mehr von Bedeutung. Durch den Einsatz von Taumitteln zur Vermeidung von Eisbildung wird der Gefrierpunkt der Lösung erniedrigt. Das Wasser gefriert somit bei niedrigeren Temperaturen. Die für das Auftauen des vorhandenen Eises benötigte Wärme wird dem Beton entzogen. Die Taumittellösung dringt in den Beton ein, was zu einem Konzentrationsunterschied zwischen Betonoberfläche (hohe Salzkonzentration) und den tiefer liegenden Schichten (geringe Salzkonzentration) führt. Fällt die Temperatur unter den Gefrierpunkt der Taumittellösung, gefriert zunächst das Wasser in der Betonoberfläche. Nach einiger Zeit kühlen auch die tieferliegenden Betonschichten ab, was zur Eisbildung in der tiefer liegenden Betonschicht (geringste Salzkonzentration) führt. Die höhere Salzkonzentration der Lösung im Bereich zwischen der oberen und tiefer liegenden Schicht führt dazu, dass diese „Mittelschicht“ zuletzt gefriert. Da ein Druckausgleich für die Mittelschicht nicht mehr möglich ist, wird die obere Schicht des Betons abgesprengt (Bild 2). Das Schadensbild sind somit dünne, plattige Abwitterung der Betonoberfläche. Ähnliche Schäden können laut /38/ auch bei reinem Frostangriff, bedingt durch fertigungsbedingte Inhomogenitäten zwischen Kern- und Randbeton, auftreten.

Mikroskopische Ursachen:

Der kapillare Effekt und der hydraulische Druck sind die wesentlichen Schadensursachen für frostbedingte Schäden im mikroskopischen Zementsteingefüge. Beide Mechanismen treten im Beton auch ohne den Einsatz von Taumitteln auf.

Beim Phasenübergang von Wasser zu Eis findet eine Volumenvergrößerung von ca. 9 Prozent statt (Dichteanomalie des Wassers). Nicht nur durch diese Ausdehnung selbst, sondern auch das dadurch verdrängte Wasser führt zu einem Innendruck, der bei Überschreitung der Zugfestigkeit des Betons zur Gefügezerstörung führen kann. Dieses Prinzip wird nach Powers als hydraulischer Druck bezeichnet /38/. Die Größe des Drucks hängt vor allem von der Streckenlänge vom Ort der Eisbildung bis zum nächsten Expansionsraum (z.B. Luftpore) ab. Dieser Zusammenhang erklärt damit die Anforderungen bezüglich des maximalen Abstandsfaktors für Mikroluftporen im Beton.

Die Abhängigkeit des Gefrierpunkts von der Porengröße führt zum sogenannten kapillaren Effekt. Das Porengefüge des Zementsteins im Beton kann anhand des Porendurchmessers in drei Bereiche gegliedert werden: (1) Gelporenbereich (< 1 nm); (2) Kapillarporenbereich (10 nm bis 10 mum); Luft- oder Grobporenbereich (10 mum bis 1000 ,mum).

Das Gelporenwasser gefriert erst bei sehr niedrigen Temperaturen, die in der Praxis kaum erreicht werden. Gefriert das Wasser in den größeren Poren, entsteht ein thermodynamisches Ungleichgewicht. Das Wasser aus den kleineren Poren ist bestrebt zum Eis in den größeren Poren oder zur eisbedeckten Betonoberfläche zu gelangen (Dampfdruck über Wasser ist größer als über Eis). Dieser Mechanismus erklärt damit Gefügeausdehnungen von Beton auch bei konstant niedriger Temperatur.

Die Wirkmechanismen des Kristallisationsdrucks sowie des thermodynamischen Modells nach Setzer sind noch nicht entgültig geklärt. Daher sollen diese Mechanismen hier nicht näher erläutert werden. Der osmotische Druck stellt keine primäre Schadensursache dar /38/.

Die Wirkprinzipien der erläuterten Schädigungsvorgänge machen deutlich, dass der Anteil von Kapillarporen im Beton für den Frost-Taumittel-Widerstand von überragender Bedeutung ist. Alle Mechanismen haben gemeinsam, dass zunächst Wasser (mit oder ohne Taumittellösung) in das Betongefüge eindringen muss. Sieht man von möglichen Rissen im Beton ab, sind nur die Kapillarporen für den Wassertransport ins Betoninnere geeignet. Ebenso wird deutlich, dass die Schädigung des Betons durch Frost-Taumittel-Angriff im Wesentlichen eine Oberflächenschädigung zur Folge hat, während reiner Frostangriff primär zu Gefügezerstörungen im Betoninneren führt. So werden zusätzliche Ultraschalluntersuchungen des Betongefüges im Allgemeinen nur in Kombination mit dem CF-Verfahren (ohne Taumittel) vorgenommen (CIF-Test).

Schadensmechanismus: Bei einem Frost-Tau-Angriff wird folgendes beobachtet /39/: 1. Der Beton wird durch kapillares Saugen gesättigt und der Sättigungs- grad nimmt nach einem Frost-Tau-Wechsel weiter zu. Hier spricht man von „Frostsaugen“. 2. Während der ersten Frost-Tau-Wechsel ziehen sich Zementstein und Beton überproportional zusammen, sobald das erste Eis gebildet wird. Aufgrund der Eisdehnung von 9 Vol.-% wäre eigentlich eine Expansion zu erwarten. 3. Die Eisdehnung tritt erst dann auf, wenn entweder bei unter –25°C auch das Gelwasser gefriert oder wenn nach vielen Frost-Tau-Wechseln der Sättigungsgrad aufgrund des „Frostsaugens“ bis zu einem kritischen Wert, bei dem Schäden auftreten, weiter angestiegen ist. Dann allerdings ist der Schadensfortschritt rasant.

Der Schaden an Beton infolge des Frost- bzw. Frost-Taumittel-Angriffs kann zweierlei Schadensbilder aufweisen. Zum einen kann es zu einer Abwitterung von der Oberfläche kommen; es kann aber auch eine schwerwiegendere Art von Schaden, nämlich eine tiefergehende innere (Gefüge)Schädigung, auftreten /40/. Beide Schadensfälle können gemeinsam, aber auch getrennt vorkommen. Ein ausreichender Sättigungsgrad des Betons ist die Voraussetzung, damit es zu einem der beiden Schadensarten kommen kann. Auslöser der inneren Schädigung ist vor allem die Eisdehnung beim Gefrieren. Bei der Oberflächenabwitterung treten zusätzlich noch Unterkühlungseffekte auf. Außerdem haben die Taumittel chemischen und physikalischen Einfluss auf den Gefrierpunkt und auf die Phasenstabilität der Hydratphasen des Zementsteins und verstärken dadurch die Schädigung.

Verhalten von Bauwerken unter Frost-(Tausalz)Beanspruchung:

Brückenkappen: Seit 1996 schreibt die ZTV-K /41/ ausschließlich Portlandzement der Festigkeitsklasse Z 32,5 vor. In den vorher gültigen ZTV-K durften auch andere Zementarten verwendet werden. Im Heft „Beton-Informationen 4’1999“ /42/ werden einige Beispiele genannt. Es handelt sich hierbei um Brückenkappen am Niederrhein. Die Brücken führen alle über die Bundesautobahn A 40. Tafel 12 zeigt eine Zusammenstellung der Zusammensetzungen der Brückenkappenbetone mit Hochofenzement.

Der Wirtschaftsweg „Esenberger Bruch“ war nur reinen Frostbeanspruchungen ausgesetzt. Hier wurde nach 30 Jahren festgestellt, dass nur die oberste Zementleimschicht abgewittert war und die Zuschläge noch fest eingebunden waren. Auch der Rand der Brückenkappe war ohne Ausbrüche und nach wie vor scharfkantig.

Bei der Stadtstraße „Römerstraße“, die sich in Duisburg – Rheinhausen befindet, wurden auch keine Schäden entdeckt. Sie wurde sogar, falls es erforderlich war, regelmäßig mit Tausalz bestreut und kam ebenso mit salzhaltigem Spritzwasser in Berührung. Auf dem größten Teil der Oberfläche konnte nach 30 Jahren sogar noch der Besenstrich erkannt werden, d.h. es witterte nur die Zementhaut, also weniger als 1 mm, ab.

Die Schnellstraße L 327 Duisburg – Moers, die gleichzeitig auch als Autobahnzubringer dient und regelmäßig mit Taumitteln durch den Winterdienst belastet wurde, zeigt ebenso keine Schäden auf. Die Rautenumrisse, die 1968 aufgemalt wurden, sind auch nach 30 Jahren noch schwach zu erkennen.

Die Brücke im Verlauf der A 40 an der Abfahrt Wachtendonk wurde 1972 gebaut und ist bis 1998 nicht instandgesetzt oder beschichtet worden. Die Oberfläche war bis 1999 in einem sehr guten Zustand.

Bei all diesen Brückenkappen wurden weder Betonzusatzstoffe noch künstliche Luftporen eingesetzt. Das zuständige Autobahnamt (das auch für die Überführungsbauwerke zuständig ist) teilte hier mit, dass die Bauteile lange nachbehandelt worden sind. Vermutlich wurden sie lange feucht gehalten.

Autobahnbrücken: Die Brückenwiderlager an Autobahnbrücken werden regelmäßig und sehr intensiv mit tausalzhaltigem Spritzwasser oder Sprühnebel beaufschlagt. So auch die beiden Brücken Nr. 4806 623 und 4806 627 in der Nähe der Autobahnabfahrt Dormagen /42/. Beide Brücken sind annähernd gleich von der Lage und ihren Abmessungen. Auch die Betonzusammensetzung ist gleich mit der Ausnahme, dass die Brücke 623 mit Portlandzement und die Brücke 627 mit hüttensandreichem Hochofenzement hergestellt wurde. Am östlichen Widerlager („Luv-Seite“) wurden nur geringfügige und am westlichen Widerlager („Lee-Seite“) keine Schäden festgestellt. Bei den regelmäßigen Inspektionen wurde festgestellt, dass weder hinsichtlich der Standsicherheit noch hinsichtlich der Dauerhaftigkeit Instandsetzungsmaßnahmen erforderlich sind. Und das nach über 35 Jahren!

Mit Hochofenzement wurden über die A 40 Duisburg – Venlo 1963/1964 zahlreiche Überbauten hergestellt. Bei den regelmäßigen Inspektionen durch den Landschaftsverband Rheinland wurden bis 1992 keine Schäden festgestellt. Bei den darauffolgenden Inspektionen 1997 (Bauwerk 623) und 1998 (Bauwerk 627) wurden zwar an beiden Bauwerken geringfügige Abplatzungen festgestellt, doch weder hinsichtlich der Standsicherheit noch hinsichtlich der Dauerhaftigkeit waren Instandsetzungsmaßnahmen erforderlich.

Im Jahr 1990 wurden die Mittelstützen erstmals besichtigt und nur am Fuße einer Mittelstütze wurden leichte Abwitterungen gefunden. Selbst im Jahr 1998, etwa 25 Jahre nach dem Bau, war deutlich zu erkennen, dass die Beschaffenheit der Betonoberfläche immer noch gut ist und an den Mittelstützen aus CEM III/B keine Frost- Tausalzschäden vorhanden sind.