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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

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Inhaltsverzeichnis

Vorwort.   I

  Aufgabenstellung  II

  Abbildungsverzeichnis  V

Tabellenverzeichnis   VII

1.  Einleitung  1

2.  Literaturüberblick.  4

2.1  Stand der Wissenschaft.  7

2.1.1  Einflussfaktoren auf den Frost- und Frost-Taumittelwiderstand  7

2.1.1.1  Zuschlagsstoffe.  7

2.1.1.2  Betontechnologie  10

2.1.2  Physikalische Grundlagen der Zerstörung.  14

2.1.3  Prüfverfahren  18

2.2  Gegenstand, Zielsetzung und Vorgehensweise der Untersuchungen.  21

3.  Vergleichende Untersuchungen der Zuschlagsstoffe.  23

3.1  Untersuchungsverfahren im Hinblick auf Frostwiderstand  23

3.2  Auswahlkriterien im Versuchsrahmen  25

3.2.1  Zuschlagsstoffe.  25

3.2.2  Prüfverfahren  26

3.3  Die Versuchsreihen  27

3.3.1  Probenvorbereitung  27

3.3.2  Allgemeine Zuschlagsuntersuchungen  28

3.3.3  Frost-Tau-Wechselversuche.  34

3  4 Analyse und Vergleich der vorliegenden Ergebnisse und Messdaten  36

IV

4.  Vergleichende Untersuchungen der Betone.  40

4.1  Untersuchungsverfahren im Hinblick auf Frostwiderstand  40

4.1.1  Das CDF/ CIF -Verfahren  40

4.1.2  Das MPA -Verfahren.  43

4.2  Die Auswahl der Betonrezeptur  44

4.2.1  Allgemeine Überlegungen zur Herstellung der Versuchsbetone  44

4.2.2  Mischungsberechnung.  45

4.3  Der Versuchsablauf  48

4.3.1  Herstellung und Vorlagerung der Probekörper  48

4.3.2  Die Frischbetonuntersuchungen  49

4.3.3  Die Frost-Tauwechselversuche  51

4.3.3.1  CDF / CIF -Verfahren.  51

4.3.3.2  MPA -Verfahren  53

4.3.4  Die Festigkeitsuntersuchungen  55

4.4  Analyse und Vergleich der vorliegenden Ergebnisse und Messdaten.  57

5.  Schlussbetrachtung und Zusammenfassung.  70

6.  Literaturverzeichnis  73

7.  Anlagenverzeichnis  77

V

  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. 49-50  

  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  

VI

  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  

VII

  Tabellenverzeichnis  

  Tab. 1 : Expositionsklassen XF1 - XF4 nach DIN 1045-2  5

  Tab. 2 : Benennung des Zuschlag nach DIN 4226.83 (Alt)  7

  Tab. 3 : Kategorien für Höchstwerte des Frostwiderstandes DIN 4226.01 (Neu)  8

  Tab. 4 : Dauer der Betonnachbehandlung in Abhängigkeit der Umgebungsbedingungen  13

  Tab. 5 : Übersicht der gängigen Frost- und Frost-Taumittelprüfverfahren  19

  Tab. 6 : Bezeichnung der Frost-Prüfverfahren nach DIN 52104  23

  Tab. 7 : Ergebnisse der Rohdichtebestimmung des Zuschlags  29

  Tab. 8 : Ergebnisse der Schüttdichtebestimmung des Zuschlags.  30

  Tab. 9 : Ergebnisse der Wasseraufnahme.  31

  Tab. 10 : Ergebnisse der Kornfestigkeitsprüfung  32

  Tab. 11 : Kategorien für Höchstwerte des Magnesiumsulfat-Widerstandes DIN EN 1367-2  32

  Tab. 12 : Ergebnisse der Magnesium-Sulfat-Prüfung.  33

  Tab. 13 : Frischbetoneigenschaften  50

  Tab 14 : Ergebnisse der Festigkeitsuntersuchung  56

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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

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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“).

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

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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.

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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

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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.

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

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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 nachbehandlungsempfindlich, 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/.

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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/.

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

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Eine Vorauswahl der Gesteinskörnungen nach Art, Korngröße und geologischer Herkunft ist in Bezug auf die Widerstandsfähigkeit gegen Frost sinnvoll und anzuraten. Die DIN 4226.01 /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).

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

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

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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 chemischmineralogische 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 („popouts“) 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.

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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

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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 250ml 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

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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 Betonzusammensetzung, 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.

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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

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.

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10-2000 µm. 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.

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