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Frost- und Frost-Tausalz-Widerstand von Betonen mit Polymerzusatz

Forschungsarbeit 2005 43 Seiten

Werkstoffkunde

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Einflüsse der Gefrier-/ Auftauzyklen auf den Beton
2.1 Allgemeines
2.1.1 Ablauf der Schädigung
2.2 Dynamische Vorgänge der Materialzerstörung
2.3 Einflüsse und Prüfverfahren

3 Das CDF-Verfahren nach RILEM
3.1 Gegenstand der Prüfung
3.2 Ablauf der Prüfung
3.2.1 Messung der inneren Schädigung
3.2.2 Auswertung der inneren Schädigung
3.2.3 Die Abwitterung der Oberfläche

4 Vorbereitung der Prüfkörper
4.1 Betonherstellung
4.2 Herstellung der CDF- Prüfkörper/ Kapillares Saugen

5 Durchführung der Frost-Tausalz-Prüfung
5.1 Allgemeines
5.2 Die Frost-Tauzyklen beim CDF- Verfahren
5.3 Abwitterungsmengen, Ultraschallbad, -laufzeit

6 Ergebnisse
6.1 Eindrücke bei augenscheinlicher Begutachtung
6.2 Anteile an Abwitterung
6.3 Ultraschallaufzeiten
6.4 Festigkeiten und Quecksilberporössymmetrie

7 Diskussion der Ergebnisse

8 Zusammenfassung und Ausblick

9 Verwendete Abkürzungen

10 Literaturverzeichnis

11 Anhang

1 Einleitung

Der Einsatz von Tausalzen im Winterdienst und zusätzlich die CO2 -Anreicherung der Atmosphäre haben zu erheblichen Schäden an Stahlbetonbauwerken geführt. Die schützende Passivschicht, die im alkalischen Bereich noch vorhanden ist (nicht karbonatisierter Bereich), wird entweder durch Chloride lokal durchdrungen oder das Stickstoffdioxid führt zur Karbonatisierung, wodurch der pH-Wert sinkt und die Passivität aufgehoben wird.

Die materialzerstörende Wirkung von Frost und Tausalze folgt aus der Sprengwirkung des Eises beim Gefrieren und der Salze beim Auftauen. Die Materialzerstörung ist in der Tatsache begründet, dass, durch die Gefrier-/ Auftauzyklen des Salzwassersystems, zwei Materialsysteme durch den Ablauf dynamischer Prozesse entstehen. Das Wasser erleidet in der Phase des Gefrierens eine Volumenvergrößerung und übt Druck auf die Umgebung bzw. Salzlösung aus. Das Auftauen wirkt dehnt sich die konzentrierte Salzlösung aus und übt ihrerseits Druck auf das Eis und Porensystem [1].

Der vorliegende Entwurf soll den Frost- Tausalzwiderstand von unterschiedlichen Betonzusammensetzungen mit einem Luftporengehalt von 4-6 % mit dem so genannten CDF - Verfahren (Capillary suction of Deicing Solution and Freeze - Thaw Test) untersuchen.

Als Beurteilungsgröße nimmt dieser Versuch die Abwitterungsmenge von Oberflächen, die einer Vielzahl von definierten Frost-Tau-Wechseln in Gegenwart von Taumitteln (i. d. R. NaCl-Lösung) ausgesetzt werden.

Es gilt einen Beton mit Polymeren als Zusatzmittel in Beziehung mit einem Normalbeton zu setzen. Dabei sollen beide Betone, d.h. der Referenz- und auch der „Polymerbeton“, die Bedingungen der Expositionklasse XF 4 erfüllen.

2 Einflüsse der Gefrier-/ Auftauzyklen auf den Beton

2.1 Allgemeines

Die Belastungen auf Bauwerke sind vielseitig. Einerseits gibt es enorme natürliche Belastungen wie Witterung, Temperatur, UV-Licht usw., andererseits aber auch Belastungen, die aus der Funktionsweise der Bauwerke herrühren.

Eine der Belastungen ist das Thema dieses Entwurfs. Dabei geht es, um den Frost- bzw. Frost-Tausalz-Widerstand der Betone. Diese Problematik ist seit über 100 Jahren bekannt. Die Überlegung, dass sich der feine Luftporengehalt im Mörtel positiv auf den Frost- bzw. Frost-Tausalz-Widerstand der Betone auswirken könnte ist nicht absurd, weil bekannt ist, dass Wasser eine Volumenzunahme erfährt, wenn es gefriert. Die Luftporen könnten als „Ausgleichsraum“ dienen.

2.1.1 Ablauf der Schädigung

Die Gefriertemperatur des im Beton enthaltenen Wassers, hängt unter anderem davon ab, inwieweit dieses freie H2O physikalisch gebunden ist. Das Wasser in den Kapillarporen gefriert vor dem sich in den Gelporen befindenden Wassers. Dieser Sachverhalt ist mit der Druckabhängigkeit des Wassers beim Gefrieren abhängig. Der hohe Druck in den Poren führt zu einer Absenkung des Schmelzpunktes. Je kleiner die Poren sind, umso tiefere Temperaturen müssen vorliegen, damit eine Umwandlung von Wasser in Eis stattfinden kann. Aus diesem Grund wird das Wasser, welches sich in den Gelporen befindet, durch die Volumenzunahme von ca. 9 Vol. % des gefrierenden Kapillarwassers unter einen mit abnehmender Temperatur zunehmenden hydrostatischen Druck gesetzt.

Diese Problematik wird durch den Einsatz von Tausalzen zunehmend gesteigert. Die Salzionen können nicht in das Kristallgitter des gefrierenden Wassers eingebaut werden und führen aus diesem Grund zu einer Abnahme des Gefrierpunktes. Diese Abnahme verläuft fast linear zu der Salzkonzentration.

Bei dem Vorgang des Gefrierens wird Salzwasser in Form von Eis und Salzlösung voneinander getrennt, so dass es zu einer Aufkonzentrierung der Salze in der Lösung kommt. Einerseits belastet das Eis den Zementstein durch Volumenzunahme und andererseits durch den hydrostatischen Druck, der auf die Salzlösung ausgeübt und somit in die Porensysteme eingepresst wird.

Im umgekehrten Fall, nämlich während des Auftauens, wirkt sich der große Wärmeausdehnungskoeffizient der Salzlösung negativ auf den Zementstein aus. Diese übt, hervorgerufen durch den größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten, Drücke auf die Wände des Porensystems aus. Dieser Effekt wird zusätzlich durch die Abnahme der Zusammendrückbarkeit (Kompressibilität) verstärkt [1].

2.2 Dynamische Vorgänge der Materialzerstörung

Wie oben schon erwähnt, werden aus der niedrigkonzentrierten Salzlösung in mehreren Zyklen zwei Systeme mit unterschiedlichen Wirkungsweisen gebildet, nämlich in konzentrierte Salzlösung und Wasser in Form von Eis. Die Materialzerstörung ist in der Tatsache begründet, dass, durch die Gefrier-/ Auftauzyklen des Salzwassersystems, zwei Materialsysteme durch den Ablauf dynamischer Prozesse entstehen. Das Wasser erleidet in der Phase des Gefrierens eine Volumenvergrößerung und übt Druck auf die Umgebung bzw. Salzlösung aus. Beim Auftauen vergrößert sich das Volumen der konzentrierten Salzlösung und übt ihrerseits Druck auf das Eis und Porensystem.

Die maximalen Belastungen (Materialzerstörungseffekte) bei Frost-/ Tauzyklen infolge von Eis treten bei minimalen und infolge von Salzlösung bei maximalen Salzkonzentrationen auf.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1: Temperaturabhängigkeit1 des Dichtemaximums und Gefrierpunktes von Salzlösungen

Die Bedingungen für optimale Separation sind eine langsame Ausbreitung der Gefrierfront, großes und treibendes Eisvolumen und größtmögliche gelöste und transportierte Salzmengen. Die Temperaturverteilung bzw. -gradienten haben natürlich auch Auswirkungen in einem gefrierenden Salzwassersystem.

Zusammengefasst kann gesagt werden, dass die Ausbreitung von Salzlösungen beim Auftauen abhängig ist von der Differenz zwischen der Gefrier-/ Tautemperatur des Eises und der Temperatur des Dichtemaximums. Eine Erhöhung der Differenz führt zur Zunahme des Volumens.

2.3 Einflüsse und Prüfverfahren

Die Frost- und Frost-Tausalz-Widerstände von Betonen sind von vielen Einflüssen bzw. Parametern abhängig. Der Gehalt an Mikroluftporen, Frostwiderstand der Zuschläge, w/z-Wert und die Nachbehandlung sind einige dieser Faktoren. Die Mikroluftporen können entweder durch die Verwendung von Luftporenbildnern eingebracht werden, oder dessen Entstehung kann durch eine ausreichende Mischzeit, optimierte Intensität und weichplastische Konsistenzen gefördert werden.

Es existieren einige Möglichkeiten, den Beton auf Frost- bzw. Frost-Tausalz- Widerstand zu prüfen. Die Normung im europäischen Raum berücksichtigt drei Prüfverfahren. Diese wären:

- Cube-Test
- SLAB-Test
- CIF-/CDF-Test

Hier soll im Folgenden das CDF- Verfahren näher beschrieben werden. Für die Prüfung der Betonmischungen wurde auch dieses Verfahren zu Grunde gelegt [4].

3 Das CDF-Verfahren nach RILEM

3.1 Gegenstand der Prüfung

Die Beanspruchung durch Frost und Tau in Verbindung mit Taumitteln, d.h. die Abwitterung der Oberfläche, ist Gegenstand dieser Prüfmethode. Von wesentlicher Bedeutung ist auf der einen Seite die Herstellung von vergleichbaren Probekörpern und auf der anderen Seite die Übertragbarkeit auf reale Bedingungen und Bauteile.2

3.2 Ablauf der Prüfung

Die Prüfung kann in drei Phasen unterteilt werden. In einem ersten Schritt werden die Probekörper in einem Raum mit einer Temperatur von 20 °C und einer relativen Feuchte von 65% gelagert. Der Gewichtsverlauf sollte in dieser Zeit dokumentiert werden. Etwa 2 bis 7 Tage vor Beendigung der Trockenlagerung werden die Seitenflächen abgedichtet. Hierfür kann lösungsmittelfreies Epoxydharz oder auch eine Aluminiumfolie mit Butylklebung verwendet werden.

Die zweite Phase beinhaltet die Vorsättigung der Probekörper durch kapillares Saugen. D.h. die Prüfkörper werden in einen Behälter gelegt, in dem sich eine Prüfflüssigkeit befindet. In den 7 Tagen während des kapillaren Saugens soll die Sättigung der Prüfkörper erreicht werden.

In der dritten Phase laufen die Frost-Tau-Wechsel ab. Die Dauer eines Zyklus beträgt 12 Stunden. Während die 28 Frost-Tauwechsel andauern, werden in bestimmten Zeitabständen Abwitterungsmengen bestimmt, Ultraschall- und Gewichtsmessungen durchgeführt. Während dieser Phase werden die Proben in Edelstahlbehältern gelagert. Die Probekörper sind mit 5 mm hohen Abstandshaltern abgestützt, damit eine definierte Höhe der Flüssigkeitsschicht zwischen der Oberfläche und dem Behälter gewährleistet ist.

3.2.1 Messung der inneren Schädigung

Die Änderung des relativen dynamischen E-Moduls, welches aus der Ultraschalllaufzeit hergeleitet wird, kann zur Bestimmung der inneren Schädigung genutzt werden.

Die Empfehlungen der RILEM sind bei der Bestimmung der Ultraschalllaufzeiten zu berücksichtigen, damit keine Ungenauigkeiten bei den Werten entstehen. Über die Ultraschalllaufzeit können die jeweiligen relativen dynamischen E-Module bestimmt werden, die wiederum Aussagen über den Umfang der inneren Schädigung zulassen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2: Prüfeinrichtung zur Bestimmung der Ultraschalllaufzeit3

3.2.2 Auswertung der inneren Schädigung

Die Ultraschallgeschwindigkeit wird aus den gemessenen Werten für die Ultraschalllaufzeit ermittelt. Bei der Berechnung der relativen dynamischen E-Module nach n- Frost-Tauwechseln werden alle Probekörper und Achsen getrennt behandelt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die endgültige Änderung des relativen dynamischen E-Moduls wird aus dem Mittelwert beider Durchschallungsachsen bestimmt.

3.2.3 Die Abwitterung der Oberfläche

Wie oben schon erwähnt, werden während der 28 Frost-Tausalzwechsel in regelmäßigen Abständen Abwitterungsmengen bestimmt und Ultraschall- bzw. Gewichtsmessungen durchgeführt. Da man diese Versuche nur durchführen kann, wenn die Temperatur in der Kühltruhe 15 °C übersteigt, stehen ca. 2 h zur Verfügung. In dieser Zeit müssen die Körper in einem Ultraschallbad (3 min) gereinigt werden, damit in einem weiteren Schritt die Prüfflüssigkeit, in der die Abwitterung enthalten ist, gefiltert und getrocknet werden kann.

Die Auswertung sollte nach jedem Durchgang für alle Prüfkörper getrennt durchgeführt werden. Hierbei wird das bis dahin abgewitterte Material auf die Prüffläche bezogen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

4 Vorbereitung der Prüfkörper

4.1 Betonherstellung

Die Problematik, welche im Abschnitt 2 beschrieben wurde, soll hier durch eine geeignete Betonrezeptur durchleuchtet werden. Zugleich gilt es, erste Lösungsansätze zu finden, die dieses Problem einigermaßen in den Griff bekommen könnten.

Es soll eine Betonmischung konzipiert werden, die die Voraussetzungen der Expositionsklasse XF 4 erfüllt. D.h. ein Luftporenanteil zwischen 4- 6 Vol. %, ein Zementgehalt von mindestens 320 kg/m3 und ein w/z-Wert von max. 0,5 sind dafür einzuhalten. Alle anderen Angaben sind dem Anhang zu entnehmen.

Der Einsatz von Polymeren ist in der Betonherstellung noch Neuland. Aus Versuchen am IWB, die Herr Cand.-Ing. Bülent Memi mit der Unterstützung von Herrn Dipl.-Ing. Sven Mönnig durchgeführt hat, ist jedoch bekannt, dass Polymere mehr als das Zehnfache ihres eigenen Gewichtes an Wasser aufnehmen können. Diese Eigenschaft könnte für die Herstellung von Betonen mit höherem Widerstand gegen Frost-Tausalz- Angriffe nützlich sein.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3: Verwendete Sieblinie beider Betone

Im trockenen Zustand weisen die Polymere im Mittel eine Porengröße von 125 µm auf. Im gesättigten Zustand, d.h. während der Wasserzugabe, erreichen sie durchschnittlich einen Durchmesser von ca. 300 µm. Im Verlaufe der Hydratation wird das Wasser abgegeben, aber die „Mikroluftporen“ bleiben erhalten. Dieser Effekt führt nicht nur zur Erhöhung des Luftporengehaltes, sondern könnte auch zur Steigerung des FrostTausalz-Widerstandes und der Festigkeit führen4.

Für die Gesteinskörnung wurde eine Sieblinie AB 16 gewählt, wie aus der Abbildung oben zu entnehmen ist.

Um eine hinreichende Konsistenz der endgültigen Betonmischungen zu gewährleisten, mussten mehrere Testmischungen durchgeführt werden. Mit Hilfe dieser Mischungen konnten neben den Angaben der DIN 4226-1 Anhang F, L (Hinweise zum Frost- und Frost-Tausalz-Widerstand von Gesteinskörnungen) weitere Anhaltswerte gewonnen werden.

Die genaue Zusammensetzung und die Annahme der Luftporengehalte beider zu vergleichenden Betone sind in der nachstehenden Tabelle aufgeführt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Am Anfang wurden die Zuschläge, das Wasser, das Fliessmittel und die Polymere, nach den jeweiligen Berechnungen am Zwangsmischer bereitgestellt.

Als erstes wurden die Zuschläge und der Zement 30 s lang gemischt, um die Homogenität zu gewährleisten. Nach der ersten Wasserzugabe (ca. 80 %) wurden weitere 60 s gemischt. Als nächstes wurde die Mischertrommel mit dem Fliessmittel und dem restlichen Wasser beschickt und etwa 90 s durchgemischt. Zum Schluss kamen die Polymere mit in die Trommel, um den Frischbeton weitere 120 s zu vermischen.

Im Anschluss an den Mischvorgang konnte man am Rütteltisch die Ausbreitmaße und resultierend daraus die Konsistenz feststellen. Für die Bestimmung des

Luftporengehaltes bzw. der Rohdichte wurde ein 8 Liter Luftporentopf mit Frischbeton befüllt und verdichtet.

Die Ergebnisse aus den jeweiligen Frischbetonprüfungen sind nachstehend in der Tabelle 2 zusammengefasst.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Für jede der beiden Mischungen waren 20 Schalungen herzustellen, was eine Gesamtmenge von 40 Schalungen ergab. Neun dieser Schalungen waren Würfelschalungen mit 150/150/150 mm, 5 Balkenprismen mit 100/100/530 mm und wiederum 6 Würfelschalungen mit 100/100/100 mm. Drei der 150-er Würfelschalungen wurden ohne Schalöl hergestellt, um keinen Einfluss auf die Oberflächen der CDF- Prüfkörper zu riskieren.

Der Frischbeton wurde mit etwa 60 s Verdichtungszeit in die Schalungen eingebracht und der überstehende Beton mit einem Stahllineal abgezogen. Die Probekörper kamen dann für einen Tag in den Feuchtlagerungsraum bei 20 °C und 100 % relativer Luftfeuchtigkeit. Am nächsten Tag wurden die Proben ausgeschalt und weitere 6 Tage unter denselben Bedingungen gelagert.

Ab dem siebten Tag kamen die Proben in einen so genannten „Klimaraum“ bei 20 °C und 65 % relativer Luftfeuchtigkeit. Gleichzeitig begann hier die regelmäßige Gewichtsdokumentation.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4: Durchschnittliche Gewichtsabnahme im Klimaraum

[...]


1 vgl. Pühringer, J.: “Zur Materialzerstörung durch Tausalzfrostwechsel über die 3 %-ige NaClLösung“, Zeitschrift B + B, Ausgabe 8/1994, S. 49

2 vgl. Setzer; Auberg: RILEM- Empfehlung für „Prüfung des Frostwiderstandes von Beton“, Essen: 1999

3 vgl. Setzer; Auberg: RILEM- Empfehlung für „Prüfung des Frostwiderstandes von Beton“, Essen: 1999

4 Grübe; Weigler; Karl: „Beton, Arten, Herstellung und Eigenschaften“, Ernst & Sohn, ISBN 3- 433- 01340- 3, S. 460 ff

Details

Seiten
43
Jahr
2005
ISBN (eBook)
9783640906987
ISBN (Buch)
9783640906949
Dateigröße
1.6 MB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v170838
Institution / Hochschule
Universität Stuttgart – Institut für Werkstoffkunde im Bauwesen
Note
1,3
Schlagworte
Polymermischung Capillary suction of Deicing Solution and Freeze – Thaw Test RILEM Abwitterung Quecksilberporössymmetri

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