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Frost- und Frost-Tausalz-Widerstand von Beton
Beton-Seminare 2010Dr. Thomas RichterBetonMarketing Ost
© 20102 BetonMarketing Ost
Der Winter 2009 hat einen neuen Kälterekord
Die zweite sibirische Nacht in Folge hat dem Winter 2009 neue Kälterekorde gebracht. In Sachsen und Bayern wurden neue Tiefstpunkte um die minus 30 Grad gemessen.
Sogar in Berlin wurden Werte um -20 Grad gemeldet. In der Berliner S-Bahn froren gar Türen zu ...
Der Winter 2009 hat einen neuen Kälterekord
Die zweite sibirische Nacht in Folge hat dem Winter 2009 neue Kälterekorde gebracht. In Sachsen und Bayern wurden neue Tiefstpunkte um die minus 30 Grad gemessen.
Sogar in Berlin wurden Werte um -20 Grad gemeldet. In der Berliner S-Bahn froren gar Türen zu ...
Die Welt, 7. Januar 2009
© 20103 BetonMarketing Ost
Frostprüfung im 18. Jahrhundert
„Die vorzügliche Probe ist aber,wenn sie der nassen Witterung lange,und einem Winter durch dem Froste
ausgesetzt worden,und sich dennoch gut erhalten haben
d.i. ohne zu zerfallen oder zu erweichen.“
D. Gilln: Handbuch der Landbaukunst, 1778
© 20104 BetonMarketing Ost
Dichteanomalie von Wasser
+ 9 Vol.-%+ 9 Vol.-%
© 20105 BetonMarketing Ost
Gefrierpunkt der Porenlösung im Beton
-20 ...-90< 30 nmGelporen
-3 ... -20 30 nm ... 30 µmKapillarporen
teilgefüllt 50 µm ...300 µmLuftporen
leer> 1 mmVerdichtungsporen, Lunker
Gefrierpunkt[°C]PorendurchmesserPorenart
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Schädigungsmechanismen bei Frostangriff
hydraulischer Druck
Kapillareffekt
Osmose
thermodynamische Effekte
Kristallisationsdruck
chem. Phasenumwandlungen
Volumenvergrößerung Eis
Eislinsenpumpe
schichtenweises Gefrieren
ungleiche Temperatur-ausdehnungskoeffizienten
Temperatursturz
mikroskopisch(Gefügeänderungen)
makroskopisch(Spannungen)
© 20107 BetonMarketing Ost
unterschiedliche Temperaturausdehnungskoeffizienten - Zementstein αT = 10 bis 24 * 10-6 K-1
- Eis αT = 50 * 10-6 K-1
ab Temperaturdifferenzen von 15 K können kritische Zugspannungen auftreten
Temperatursturzaus Temperaturgradienten von 15 K resultieren Eigenzugspannungen an der Betonoberflächevon 1 ... 4 N/mm²
Makroskopische Schadensursachen
© 20108 BetonMarketing Ost
Mikroeislinsenpumpe
Feuchteaufnahme durch „Pumpeffekte“während der FTW bis zur kritischen Sättigung
Beim Abkühlen:
Kontraktion der Matrix und Herauspressen des ungefrorenen Wassers aus den Gelporen
Beim Erwärmen:
Ausdehnung der Matrix, durch Pumpeffekt wird Wasser oder Taumittellösung von außen eingesaugt
Folge:
Schädigungen der Matrix
Feuchteaufnahme durch „Pumpeffekte“während der FTW bis zur kritischen Sättigung
Beim Abkühlen:
Kontraktion der Matrix und Herauspressen des ungefrorenen Wassers aus den Gelporen
Beim Erwärmen:
Ausdehnung der Matrix, durch Pumpeffekt wird Wasser oder Taumittellösung von außen eingesaugt
Folge:
Schädigungen der Matrix
Quelle: Setzer: Mikroeislinsenbildung und Frostschaden 1999
© 20109 BetonMarketing Ost
Abwitterungen im oberflächennahen Bereichinsbesondere bei Taumitteleinfluss
innere Gefügeschädigungen im Baustoffgefüge
punktuelle Abplatzungen bzw. Kantenabbrüche
Schädigungen durch Frosteinwirkungen
© 201010 BetonMarketing Ost
Einflussgrößen auf den FTW / FTSW
Feuchteangebot(WassersättigungBeton)
Taumittel
Frost-Tauwechsel(Anzahl, Schärfe)
Mischen
Transportieren/Fördern
Verdichten
Nachbehandeln
Betonalter
w/z-Wert
Zement,Zementgehalt
Gesteinskörnung
Zusatzmittel
Luftporengehalt
Zusatzstoffe
Umwelt-bedingungen
Technologische Einflüsse
Betonzusammen-setzung
© 201011 BetonMarketing Ost
Kritische Umweltbedingungen für Frost-undFrost-Tausalz-Schäden ("harter Winter")
häufige Frost-Tau-Wechsel mit Minimaltemperaturen unter -5 °C
gleichzeitig hohe Wassersättigung
kritischste Bauteile: Wasserbauteile, Verkehrsflächen mit defekten Fugen
die absolute Zahl von Frost-Tau-Wechseln ist von untergeordneterBedeutung, wenn das Bauteil zwischen den Durchfrostungenaustrocknen kann oder trocken ist
© 201012 BetonMarketing Ost
Betone mit hohem FTW / FTSW
Übereinstimmung mit der Praxis
Abnahme-Grenzwerte
Prüfstreuung / Reproduzierbarkeit
neue Ausgangsstoffe
innovative Betone
CDF-/CIF-Verfahren
Slab-Test
ÖNorm-Verfahren
Länderregelungen im Straßenbau / Ingenieurbau
Festlegungen zu
Gesteinskörnungen
Zementart
w/z-Wert / Mindestdruckfestigkeit
Anrechenbarkeit von Zusatzstoffen
Luftporengehalt (Abstandsfaktor,Mikroluftporengehalt)
„performance concept“(Prüfung der Leistungsfähigkeit von Beton)
„design concept“(Ausgangsstoffe und Betonzusammensetzungen, die sich bewährt haben)
© 201013 BetonMarketing Ost
Welches Prüfverfahren ermöglicht eine praxisrelevante Beurteilungder Betone?
Sind die Laborprüfungen auf die Praxis übertragbar?
Warum erfüllen einige bewährte Rezepturen nicht die Abnahmekriterien bei der Frostprüfung im Labor?
Probleme bei der Umsetzung des Performance-Konzepts
© 201014 BetonMarketing Ost
Expositionsklassen - Frostangriff (Beton)
offene Wasserbehälter;Bauteile in der Wasserwechselzone von Süßwasser
hohe Wassersättigung, ohne Taumittel
XF3
Taumittelbehandelte Verkehrsflächen; Überwiegend horizontale Bauteile imSpritzwasserbereich taumittelbehandelterVerkehrsflächen;Räumerlaufbahnen von Kläranlagen;Meerwasserbauteile in der Wasserwechselzone
hohe Wassersättigung, mit Taumittel
XF4
Bauteile im Sprühnebel- oder Spritzwasser-bereich taumittelbehandelter Verkehrsflächen,soweit nicht XF4; Bauteile im Sprühnebelbereich von Meerwasser
mäßige Wassersättigung, mit Taumittel
XF2
Außenbauteilemäßige Wassersättigung, ohne Taumittel
XF1
BeispieleUmgebungKlasse
Durchfeuchteter Beton, der erheblichen Frost-Tau-Wechseln ausgesetzt ist
© 201015 BetonMarketing Ost
Expositionsklassen -Chloride außer Meerwasser (Stahlkorrosion)
Grafikbeschriftung in Arial, 14 pt
Auch noch ein Blindtext
Noch ein Blindtext
Teile von Brücken mit häufigerSpritzwasserbeanspruchungFahrbahndeckenParkdecks *
wechselnd nassund trockenXD3
SolebäderBauteile, die chloridhaltigenIndustrieabwässern ausgesetzt sind
nass, selten trockenXD2
Bauteile im Sprühnebelbereich vonVerkehrsflächen Einzelgaragen
mäßige FeuchteXD1
BeispieleUmgebungKlasse
* Ausführung direkt befahrener Parkdecks nur mit zusätzlichen Maßnahmen (z.B. rissüberbrückende Beschichtung, siehe auch DAfStb Heft 525)
* Ausführung direkt befahrener Parkdecks nur mit zusätzlichen Maßnahmen (z.B. rissüberbrückende Beschichtung, siehe auch DAfStb Heft 525)
© 201016 BetonMarketing Ost
Mindestbetonfestigkeit bei Frost- und Frost-Taumittel-Angriff
XF2, XF3XF4(LP)
XF1,XF2(LP), XF3(LP)
C 35/45C 30/37C 25/30
Flugbetriebsflächen XF4(LP)
Brückenkappen nach ZTV-Ing XF4(LP)
Bauteile mit XF2 oder XF3 (ohne LP) nach ZTV-Ing(Widerlager, Stützen, Tunnel, Tröge, Bohrpfähle)
© 201017 BetonMarketing Ost
Grenzwerte der Betonzusammensetzung
F4
-
280 (270)
C25/300,60
XF1
Gesteins-körnung
min p [Vol.-%]
min z [kg/m³]min fck
max w/z
16er≥4,532er≥4,0
-16er≥4,532er≥4,0
-16er≥4,532er≥4,0
320 (270)
320 (270)
300 (270)
320 (270)
300(270)
MS18F2MS25
C30/37C35/45C25/30C35/45C25/300,500,500,550,500,55
XF4**XF3XF2
Betonangriff durch Frost
** bei Meerwasserbauteilen, Räumerlaufbahnen und erdfeuchtem Beton unter bestimmtenBedingungen ohne LP zulässig
© 201018 BetonMarketing Ost
Unterschiede in der Betonzusammensetzung zwischen ZTV-Ing und DIN EN 206-2/DIN 1045-2
≥ C30/37, Rissbreitenbeschränkung für ≥ C35/45
≥ C35/45Widerlager, Stützen, Tunnel, Tröge, Bohrpfähle mit XF2, XF3, XD2, XA2, ohne Luftporen
w/z ≤ 0,50w/z ≤ 0,55 bei LP-Beton
XF2 (z.B. bei Flächen mit Sprühnebel)
≥ C25/30(LP), w/z ≤ 0,50, Rissbreitenbeschränkung für ≥ C 30/37
≥ C30/37(LP), w/z ≤ 0,45
BrückenkappeXF4, XD3, XC4
ZTV-IngDIN EN 206-1/DIN 1045-2Bauteil
© 201019 BetonMarketing Ost
Mindestbetonfestigkeit bei Frost- und Frost-Taumittel-Angriff gemeinsam mit anderen Expositionen
XM2, XM3(HSt)XM1, XM2(OB)XM2(LP), XM3(HSt/LP)
XM1(LP)XM2(OB/LP)
XA2, XA3XA2(LP), XA3(LP)
XA1
XS2, XS3XS1XS2(LP), XS3(LP)XS1(LP)
XD2, XD3XD1XD2(LP), XD3(LP)XD1(LP)
C 35/45C 30/37C 25/30
„Bei Verwendung von Luftporenbeton, z.B.aufgrund gleichzeitiger Anforderung aus XF, eine Festigkeitsklasse niedriger“(DIN 1045-1, Tab. 3)
© 201020 BetonMarketing Ost
Mindestluftgehalt des Frischbetons nach DIN EN 206-1 / DIN 1045-2
4,55,0SVB
EinzelwertMittelwert
(FGSV-Merkblatt LP-Beton beachten)
3,54,0F1 bis F6C0 bis C3
Mindestluftgehalt [Vol.-%], Dmax = 32 mm
für Dmax = 16 mm Mindestluftporengehalt + 0,5 Vol.-%
für Dmax = 8 mm Mindestluftporengehalt + 1,5 Vol.-%
(max. Luftporengehalt = Mindestluftporengehalt + 4 Vol.-%)
erdfeuchter Beton darf ohne Luftporen hergestellt werden
© 201021 BetonMarketing Ost
Mindestluftgehalt des Frischbetons nach ZTV-Ing / ZTV Beton-StB (Einbaustelle)
4,5(3,5)
5,0(4,0 bei Nachweis der
LP-Kennwerte am Festbeton in der Erstprüfung )
C1 mit BV/FMF2 bis F6, C2
EinzelwertMittelwert
Nachweis der LP-Kennwerte am FestbetonF6
3,54,0C1 ohne FM/BV
Mindestluftgehalt [Vol.-%], Dmax = 32 mm
für Dmax = 16 mm Mindestluftporengehalt + 0,5 Vol.-%
für Dmax = 8 mm Mindestluftporengehalt + 1,5 Vol.-%
max. Luftporengehalt bei der Erstprüfung, wenn LP-Kennwerte am Festbeton nachgewiesen werden
© 201022 BetonMarketing Ost
Anforderungen an die Luftporenkennwerte im Festbeton(FGSV-Merkblatt Luftporenbeton, 2004)
AbstandsfaktorL [mm]
Mikroluftporengehalt A300 [Vol.-%]
≤ 0,24≥ 1,5Bauwerksprüfung
≤ 0,20≥ 1,8Erstprüfung
Art der Prüfung
© 201023 BetonMarketing Ost
Horizontale Flächen von Außenbauteilen
Außenbauteile XF1
bei möglicher hoher Wassersättigung XF3 (XF4) prüfen
Beispiele: - Außentreppen- Rampen- horizontale Fundamentoberflächen im Freien- Wandkronen
© 201024 BetonMarketing Ost
Fundamente / Kellerwände im Erdreich
Abminderung möglich XF1 kein XFzusätzlich: XC2, evtl. XA...
Frost-Tau-Wechsel vermindert bzw. abgeschwächtdurch Wärmespeicherkapazität der Erde
kein „erheblicher Angriff durch Frost-Tau-Wechsel“
GOK
80 cm
Auslegung NA Bau 118
© 201025 BetonMarketing Ost
Regenüberlaufbecken
Chlorideintrag im Winter möglich
XC4, XF3keine Einstufung in XD und XF4 wenn Chlorideintrag gering
Auslegung NA Bau 48
© 201026 BetonMarketing Ost
DIN V CEN/TS 12390-9: Frost- und Frost-Tausalz-Widerstand(Plattenprüfverfahren, Würfelprüfverfahren, CF- / CDF-Verfahren)
ZTV-ING
ZTV Beton Stb
Merkblatt Frostprüfung für BetonBundesanstalt für Wasserbau
DIN EN 1338 Pflastersteine aus BetonAnhang D: Plattenprüfverfahren
Länderregelungen im Ingenieur- und Straßenbau
Prüfverfahren
© 201027 BetonMarketing Ost
Bestimmung der Abwitterung
Erfassung der innerer Gefügeschädigungen über Ultraschall-Laufzeitmessungen oder Resonanzfrequenzprüfung
zusätzlich Feuchteaufnahme bei Vorsättigungincl. kapillares Saugen vor und/oder während der Frostprüfungen
Kennwerte zur praxisnahen Erfassung des Frost- und Frost-Taumittel-Widerstands
© 201028 BetonMarketing Ost
Kapilla res S augen 14
Vors ätti gung Fros tsau gen
28Mas
sezu
nahm
e in
%
-7 0
Frost- Tau- Wechsel
UltraschallbadAbwitte rung (CIF -/ CDF- Test) Innere S chäd igung (CIF- Test)
Ultrascha lllaufzeit
Tage FTW
0
1
2
CDF- Capillary Suction, De-icing agent and Freeze-thaw Test
CIF - Capillary Suction, Internal damage and Freeze-thaw test
Erfassung der inneren Schädigung (CDF / CIF)
© 201029 BetonMarketing Ost
keine feststehende Korrelation zwischen den Prüfverfahren
weil
unterschiedliche Beanspruchungen
unterschiedliche Prüfbedingungen- Prüfoberflächen- Vorsättigung- Temperaturzyklen- Abnahmekriterien
Vergleichbarkeit der Prüfverfahren
© 201030 BetonMarketing Ost
Einfluss der Carbonatisierungstiefe auf den Frost-Tausalz-Widerstand (DAfStb-Verbundforschungsvorhaben Frost)
CEM III und CEM II-S-Zemente weisen beim CDF-Verfahrenetwas höhere Abwitterungen gegenüber CEM I-Zementen auf
Ursache: diese Zemente neigen beim Laborklima 20 °C / 65 % LFzu beschleunigter Carbonatisierung im Oberflächenbereich und weisen einen geringeren Hydratatationsgrad auf
in der Praxis tritt eine geringere Carbonatisierung auf, die Frost-Tausalz-Beanspruchung beginnt bei höherenHydratationsgraden
für CEM III, CEM II-S-Zemente ist eine Anpassung der Prüfbedingungen an Praxisverhältnisse erforderlich,
Vorlagerung bei 80 % LFVerlängerung der Nachbehandlungsdauer, um vergleichbareHydratationsgrade wie bei CEM I zu erreichen
(gegenwärtig nicht in den Prüfnormen verankert)
© 201031 BetonMarketing Ost
Abnahmekriterium ZTV-INGPrüfung nur dann, wenn in Leistungsbeschreibung vorgesehen
- nur an Beton für XF4
- nur an gesondert hergestellten Probekörper
- nur von Prüfstellen, die über ausreichende Erfahrung mit dem Prüfverfahren verfügen
Prüfung mit 3%iger NaCl-Lösung
CDF-Test(Frost-Tausalz-Widerstand):
≤ 1500 g/m²Abwitterung nach 28 FTW gilt nicht fgilt nicht füür r
BauwerksprBauwerksprüüfung!fung!
© 201032 BetonMarketing Ost
Prüfungen Frost-Tausalz-Widerstand
≤ 1500 g/m²
28 Wechsel
ZTV ING
≤ 2Masseverlustratem56/m28
im Durchschnitt≤ 1000 g/m²Einzelwerte≤ 1500 g/m²
im Durchschnitt≤ 1000 g/m²Einzelwerte≤ 1500 g/m²
Masseverlustnach 56 Zyklen
im Durchschnitt≤ 1500 g/m²Einzelwerte≤ 1800 g/m²
im Durchschnitt≤ 500 g/m²
Masseverlust nach 28 Zyklen
28 Wechsel56 Wechsel56 WechselZyklenanzahl
MB BAWSMWA 01/05SMWA 12/08
keine Prüfung bei XF2 mehr
© 201033 BetonMarketing Ost
Einschätzung der CDF-Prüfung(Ergebnisse DAfStb-Verbundforschungsvorhaben Frost)
Prof. Schießl / Dr. Brandes, Techn. Universität München„In Bezug auf die Frost-Tausalz-Prüfung ist daher eine Belastung mit 28 Frost-Tau-Wechseln als ausreichend zu betrachten, zumal die Probekörper während der Prüfung keine Möglichkeit zur Austrocknung haben und der Temperaturhub mit 40K deutlich höher als in der Praxisliegt.“
Prof. Setzer / Dr. Palecki, Universität Duisburg-Essen„Im CDF-Test hat sich als zuverlässiges Kriterium eine Abwitterung von1,5 kg/m³ nach 28 Frosttauwechseln erwiesen.“
Prof. Müller / Dr. Guse, Universität Karlsruhe„Der CDF-Test lieferte im vorliegenden Fall Resultate (Masseverluste), die sich im Verhalten der durch Frost und Tausalze beanspruchtenFahrbahndecke widerspiegeln.“
Quelle: Tagungsband Kolloquium Frostwiderstand, Düsseldorf 2005
© 201034 BetonMarketing Ost
Wie kann der Frost-Tausalz-Widerstand erhöht werden ?
Erhöhung des Luftporengehalts (aber: Festigkeitsverringerung)
Korrekturfaktor der Gesteinskörnung bei LP-Gehalt berücksichtigen
Absenkung des w/z-Wertes (aber: Festigkeitserhöhung)
Mörtelgehalt / Sandgehalt minimieren (aber: Pumpfähigkeit)
geringes Bluten
Dicke der Feinmörtelschicht begrenzen
keine Rüttelpatschen
Nachbehandlung
Verzicht auf Besenstrich bei Kappen
Luftgehaltsprüfung auf der Baustelle
© 201035 BetonMarketing Ost
Einfluss des Rütteltischs auf die Prüfung des Luftporengehalts nach DIN EN 12350-7 ??
Forderung nach Rütteltisch mit Mindestfrequenz von 2400 upm
© 201036 BetonMarketing Ost
Luftporengehalte bei Rütteltisch 3000 upmsystematisch 0,5 ... 0,8 Vol.-% höher !?
© 201037 BetonMarketing Ost
Normfestlegungen zur Betonzusammensetzung bei Frost- bzw. Frost-Tausalz-Beanspruchung liegen auf der sicheren Seite
Reproduzierbare Beurteilung des FTW / FTSW bei neuen Ausgangsstoffen und Technologien mit- CDF-Test für Expositionsklasse XF4 und mit - CIF- Test für Expositionsklasse XF3 möglich
CDF-/CIF-Test berücksichtigen nicht den großen Einfluss der Betonverarbeitung auf der Baustelle, z.B. Verdichtung, Oberflächenbearbeitung, Nachbehandlung, Einflüsse bis zum ersten Durchfrieren
Für XF 2 existiert derzeit noch kein praxistaugliches, allgemein anerkanntes Prüfverfahren
Prüfverfahren sind nur für Betone im jungen Alter abgesichert,für gealterte Betone muss gutachterliche Bewertung erfolgen
Zusammenfassung