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A. Leemann
Karbonatisierungswiderstand – erste Erfahrungen FSKB Frühjahrstagung 2014
Karbonatisierungswiderstand – erste Erfahrungen
A. Leemann
Karbonatisierungswiderstand – erste Erfahrungen
Inhalt
� Einführung
� Prozess
� Normative Situation
� Karbonatisierungswiderstand nach SIA
� Schnellkarbonatisierung von Mörtel
� Schnellkarbonatisierung von Beton
� natürliche Karbonatisierung von Beton
� Schlussfolgerungen
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Karbonatisierungswiderstand – erste Erfahrungen
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Bewehrungskorrosion am Bauwerk infolge Karbonatisierung
Bilder: R. Loser
A. Leemann
Karbonatisierungswiderstand – erste Erfahrungen
Karbonatisierung
� Ca(OH)2 + CO2 (g) + H2O = CaCO3 + 2·H2O
� abhängig von Feuchtegehalt des Betons
Tuutti 1982
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A. Leemann
Karbonatisierungswiderstand – erste Erfahrungen
Karbonatisierung
� Ca(OH)2 + CO2 (g) = CaCO3 + H2O
� abhängig von Feuchtegehalt des Betons
� Eindringgeschwindigkeit der Karbonatisierungsfront nimmt mit der Zeit ab
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
0 10 20 30 40
rela
tive
Ein
drin
gtiefe
Ka
rbo
na
tisie
rung [-]
Betonalter [Jahre]
dK = A + Ks x t1/2
(schematische Darstellung)
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A. Leemann
Karbonatisierungswiderstand – erste Erfahrungen
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Normative Situation: NA der SN EN 206-1
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Karbonatisierungswiderstand – erste Erfahrungen
Karbonatisierungswiderstand nach SIA 262/1
� Grenzwerte
SIA 262/1
SN EN 206-1
SIA 262 7
A. Leemann
Karbonatisierungswiderstand – erste Erfahrungen
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Karbonatisierungswiderstand nach SIA 262/1
� Betonprismen herstellen und nach 24h ausschalen
� Wasserlagerung bis 3d
� “falls nötig, in trockenem Innenraum lagern”, bis 10d
� vorlagern bei 57% r.F. von 10-28d
� anschliessend Lagerung bei 4% CO2 während 63 Tagen
� Bestimmung der Karbonatisierungstiefe zu bestimmten Zeitpunkten
� Berechnung des Karbonatisierungskoeffizienten KS aus: dK = A + KS · t1/2
� Umrechnung auf natürlichen CO2-Gehalt: Karbonatisierungskoeffizienten KN
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Karbonatisierungswiderstand – erste Erfahrungen
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Karbonatisierungswiderstand nach SIA 262/1
� dK = A + KS · t1/2
y = 0.5414x + 0.8386
y = 0.3372x + 0.508
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0
Mit
tle
re k
arb
on
ati
sie
run
gst
iefe
[m
m]
Zeit[√Tage]
M 1, 4 % CO2
M 1, 1 % CO2
AKS
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Karbonatisierungswiderstand – erste Erfahrungen
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Karbonatisierungswiderstand nach SIA 262/1
� Betonprismen herstellen und nach 24h ausschalen
� Wasserlagerung bis 3d
� “falls nötig, in geschützten, trockenen Innenraum lagern”, bis 10d
� vorlagern bei 57% r.F. von 10-28d
� anschliessend Lagerung bei 4% CO2 während 63 Tagen
� Bestimmung der Karbonatisierungstiefe zu bestimmten Zeitpunkten
� Berechnung des Karbonatisierungskoeffizienten KS aus: dK = A + KS · t1/2
� Umrechnung auf natürlichen CO2-Gehalt: Karbonatisierungskoeffizienten KN
A. Leemann
Karbonatisierungswiderstand – erste Erfahrungen
Mörtel Zement Zusatzstoff Anteil [Masse-%] w/b
1-3 CEM I 52.5 N - - 0.40 / 0.48 / 0.56
4 CEM I 52.5 N Kalksteinmehl 7.5 0.48
5 CEM I 52.5 N Kalksteinmehl 15.0 0.48
6 CEM I 52.5 N Silicastaub 7.5 0.48
7 CEM I 52.5 N Silicastaub 15.0 0.48
8 CEM I 52.5 N Portlandit 7.5 0.48
9 CEM I 52.5 N Portlandit 15.0 0.48
10 CEM III/B 32.5 - - 0.48
Versuchsmatrix Mörtel
� Variable Materialeigenschaften:
� Diffusivität (w/z, Mikrosilika-Zugabe)
� Pufferkapazität (Zugabe von Kalksteinmehl, Portlandit und Mikrosilika)
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Karbonatisierungswiderstand – erste Erfahrungen
Schnellkarbonatisierung von Mörtel
� Karbonatisierung - Druckfestigkeit / Sauerstoff-Diffusion
� Korrelation innerhalb einer «Zementart»
� als Gesamtheit: keine Korrelation zu Druckfestigkeit und Diffusivität
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
50 60 70 80
Ka
rbo
na
tisi
eru
ng
swid
ers
tan
d K
N4
%
CO
2[m
m/y
1/2
]
Druckfestigkeit 91 Tage [MPa]
CEM I Kst
Ms Por
CEM III/B0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
0 1 2 3 4 5
Ka
rbo
na
tisi
eru
ng
swid
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tan
d K
N4
%
CO
2[m
m/y
1/2
]
O2-Diffusivität [×10-8 m2/s ]
CEM I
Kst
Ms
Por
CEM III/B
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Karbonatisierungswiderstand – erste Erfahrungen
Schnellkarbonatisierung von Beton
� Karbonatisierung - Druckfestigkeit / w/z-Wert
� wenig Zusammenhang mit Druckfestigkeit («Festigkeitsklasse»)
� Steuergrössen: w/z-Wert (innerhalb einer Zemenart) und Zementart
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0 20 40 60 80 100
Ka
rbo
na
tisi
eru
ng
sko
eff
izie
nt
KN
[mm
/y1
/2]
Druckfestigkeit [MPa]
CEM I
CEM III/B
CEM II/A-D
CEM II/B-LL
w/z 0.65
w/z 0.40
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0.30 0.40 0.50 0.60 0.70K
arb
on
ati
sie
run
gsk
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ffiz
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t K
N
[mm
/y1
/2]
w/z-Wert
CEM I
CEM III/B
CEM II/A-D
CEM II/B-LL
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Karbonatisierungswiderstand – erste Erfahrungen
Schnellkarbonatisierung von Beton
� Karbonatisierung – w/b-Wert
� problematische Betone: Sorte B mit CEM II/B-M14
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0.30 0.40 0.50 0.60 0.70
Ka
rbo
na
tisi
eru
ng
sko
eff
izie
nt
KN
[mm
/y1
/2]
w/b-Wert
CEM I
CEM III/B
CEM II/A-D
CEM II/B-LL
Transportbeton aus CEM II/B-M
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Karbonatisierungswiderstand – erste Erfahrungen
Natürliche Karbonatisierung von Beton (Exposition: 2.5 Jahre)
� Beziehung zwischen w/z und Zementart mit Karbonatisierungswiderstand
bestätigt
� Differenz zwischen Schal- und Schnittfläche («Nachbehandlung»)15
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65
Ka
rbo
na
tisi
eru
ng
sko
eff
ize
int
KN
[mm
/Ja
hr0
.5]
w/z [-]
Schalfläche, unbewittert
CEM I
CEM II/A-LL
CEM II/B-M (V-LL)
0
1
2
3
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6
7
8
9
0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65
Ka
rbo
na
tisi
eru
ng
sko
eff
ize
int
KN
[mm
/Ja
hr0
.5]
w/z [-]
Schnittfläche, unbewittert
CEM I
CEM II/A-LL
CEM II/B-M (V-LL)
A. Leemann
Karbonatisierungswiderstand – erste Erfahrungen
Veränderung des Zementsteins im Beton
� Beton aus CEM I
nicht karbonatisiert
karbonatisiert
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A. Leemann
Karbonatisierungswiderstand – erste Erfahrungen
Veränderung des Zementsteins
� Beton aus CEM I
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
0 0.5 1 1.5 2
Al/
Ca
Si/Ca
not carbonated
carbonated
0
5
10
15
20
25
1 10 100 1000
Po
ren
vo
lum
en
[m
m3/g
]
Porenradius [nm]
MIP, 2. Intrusion
CEM I
CEM I karbonatisiert
� Gesamtporosität wird verringert, aber Porenradien werden grösser
� Zersetzung der Hydratphasen zu Calcit und siliziumreichen Gel 17
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Karbonatisierungswiderstand – erste Erfahrungen
Veränderung des Zementsteins
� Beton aus CEM III/B
nicht karbonatisiert
karbonatisiert
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A. Leemann
Karbonatisierungswiderstand – erste Erfahrungen
0
5
10
15
20
25
1 10 100 1000
Po
ren
vo
lum
en
[m
m3/g
]
Porenradius [nm]
MIP, 2. Intrusion
CEM III/B
CEM III/B karbonatisiert
Veränderung des Zementsteins
� Beton aus CEM III/B
� Gesamtporosität wird erhöht und Porenradien werden grösser
� Zersetzung der Hydratphasen zu Calcit und siliziumreichen Gel
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
0 1 2 3A
l/C
aSi/Ca
not carbonated
carbonated
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Karbonatisierungswiderstand – erste Erfahrungen
Schlussfolgerungen
� Grenzwerte:
� üblicherweise keine Probleme bei Sorten C, D und E
� Sorte B kann über Grenzwert liegen
� Steuergrössen für Beton:
� w/z-Wert innerhalb einer Zementart
� Zementart
→ Erreichen einer bestimmten Festigkeitklasse kein Garant für Erfüllen des Karbonatisierungswiderstandes
� mehr Erfahrungen benötigt (z. Bsp. Recyclingbeton)
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