Fachbereich Bauingenieurwesen

Frost-Tau und Frost-Tausalzuntersuchungen
Vergleichende Untersuchungen an frostunbeständigen und frostbeständigen
Gesteinskörnungen, mit dem Ziel,
an damit hergestellten Betonen oberflächennahe Frostschäden zu erzielen.

Freie wissenschaftliche Arbeit zur Erlangung
des Grades eines Diplom-Ingenieurs

von

Patrick Kühl

Kiel, 8. Januar 2003

Vorwort

[...]

Aufgabenstellung

[...]

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

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

Abbildungsverzeichnis
Abb. 1 : Schematische Darstellung eines porösen Gefüges mit konstantem Porenvolumen und unterschiedlicher Porenanzahl ... 15
Abb. 2 : Wirkungsweise einer Frost-Taumittelbeanspruchung ... 17
Abb. 3 : Gesteinskörnungen der Zuschlagsprüfung ... 25
Abb. 4 : 0/2mm Sand ... 26
Abb. 5 : Gesteinskörnungen im Probebehälter ... 27
Abb. 6 : Pyknometerverfahren ... 28
Abb. 7 : Verfahren zur Wasseraufnahme ... 30
Abb. 8 : Magnesium-Sulfat-Verfahren ... 33
Abb. 9 : Temperaturverlauf Frost-Tau-Wechselprüfung ... 34
Abb. 10 : Abwitterungen der Zuschläge in Masse-Prozent ... 35
Abb. 11 : Grafische Darstellung Magnesium-Sulfat-Widerstand ... 38
Abb. 12 : Grafische Darstellung Wasseraufnahme ... 38
Abb. 13 : CDF/CIF-Prüfsystem ... 41
Abb. 14 : Temperaturverlauf Frost-Tau-Zyklus des CDF/CIF – Verfahrens ... 42
Abb. 15 : Bohrkern im Längsschnitt – MPA-Verfahren ... 43
Abb. 16 : Ausbreitversuch – Bestimmung der Konsistenz ... 49-50
Abb. 17 : Butylfolien-Abklebung ... 51
Abb. 18 : CDF-Prüfeinrichtung ... 52
Abb. 19 : Prüfeinrichtung zur Ultraschallmessung ... 53
Abb. 20 : Prüfbehälter MPA-Verfahren ... 53
Abb. 21 : Prüftruhe mit Behältern, MPA-Verfahren ... 54
Abb. 22 : Grafische Darstellung Druckfestigkeitsergebnisse ... 57
Abb. 23 : Verlauf des rel. dyn. E-Moduls des B25-Betons während des CDF-Verfahrens ... 59
Abb. 24 : Abwitterungen des B25-Betons während des CDF-Verfahrens ... 59
Abb. 25 : Feuchteaufnahme des B25-Betons während des CDF-Verfahrens ... 60
Abb. 26 : Feuchteaufnahme des B25-Betons während des MPA-Verfahrens ... 61
Abb. 27 : Abwitterungen des B25-Betons während des MPA-Verfahrens ... 62
Abb. 28 : Vergleich der Abwitterungsraten nach 8 Prüfungstagen B25 ... 62
Abb. 29 : Verlauf des rel. dyn. E-Moduls des B35-Betons während des CDF-Verfahrens ... 63
Abb. 30 : Abwitterungen des B35-Betons während des CDF-Verfahrens ... 64
Abb. 31 : Abwitterungen des B35-Betons während des MPA-Verfahrens ... 65
Abb. 32 : Feuchteaufnahme des B35-Betons während des CDF-Verfahren ... 66
Abb. 33 : Feuchteaufnahme des B35-Betons während des MPA-Verfahren ... 67
Abb. 34 : Vergleich des rel. dyn. E-Moduls B25-B35 nach 16 Frost-Tau-Wechseln ... 68

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

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 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“).
• Es kommt zu einer inneren Gefügezerstörung, die sich durch Rissbildung im Beton andeutet („map-, durability-cracking“).

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 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.

[...]