Bauhaus-Universität Weimar
Fakultät Bauingenieurwesen
F.A. Finger-Institut für Baustoffkunde

DIPLOMARBEIT

Einfluß der Carbonatisierung auf den Frost-Tausalz-Widerstand
von Beton mit mineralischen Zusatzstoffen

eingereicht von Alexander Schnell

Ausgabedatum 27.06 ... 2000
Abgabedatum 19.09.2000

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung ... 4

2 Kenntnisstand ... 7

2.1 Carbonatisierung ... 7

2.2 Schädigungsmechanismen beim Frost-Tausalz-Angriff ... 9

2.3 Zusammenhänge zwischen Carbonatisierung und FTSW ... 12

2.4 Einflußgrößen auf Carbonatisierung und FTSW von Beton ... 15
2.4.1 Einfluß der Mischungsbestandteile auf die Carbonatisierung und den FTSW von Beton ... 15
2.4.2 Einfluß des Wasserzementwertes ... 21
2.4.3 Einfluß der Nachbehandlung und der Lagerungsbedingungen ... 22
2.4.4 Übersicht ... 25

2.5 Zum Einfluß von Flugaschen und Metakaolin auf die Carbonatisierung und den FTSW von Beton ... 26

3 Versuchsprogramm und Voruntersuchungen ... 29

3.1 Versuchsprogramm ... 29

3.2 Übersicht zum Versuchsprogramm ... 31

3.3 Charakterisierung der Betonausgangsstoffe ... 33
3.3.1 Zemente ... 33
3.3.2 Mineralische Zusatzstoffe ... 35
3.3.3 Zusatzmittel ... 38
3.3.4 Zuschlag ... 39
3.3.5 Zugabewasser ... 40

3.4 Mischungsberechnung ... 41

3.5 Betonherstellung und Lagerungsbedingungen ... 46

4 Versuchsergebnisse ... 48

4.1 Betonkennwerte im Rahmen der Eignungsprüfung ... 48
4.1.1 Frischbetonkennwerte ... 48
4.1.2 Festbetonkennwerte ... 51

4.2 Gefügeuntersuchungen am Festbeton ... 55
4.2.1 Porengrößenverteilung (Quecksilberhochdruckporosimetrie) ... 55
4.2.2 Luftporenkennwerte (Bildanalyse) ... 57

4.3 Carbonatisierungstiefen ... 60

4.4 Bestimmung des Frost-Tausalz-Widerstandes im CDF-Test ... 62
4.4.1 Kapillares Saugen ... 64
4.4.2 Abwitterungsmengen und mittlere Abwitterungstiefen ... 65

4.5 Röntgenanalytische Untersuchungen ... 71
4.5.1 Untersuchungen an Anfangsabwitterungen ... 71
4.5.2 Untersuchungen an Zementsteinproben ... 72

4.6 Rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen ... 73

5 Wertung und Diskussion der Ergebnisse ... 74

5.1 Druckfestigkeit ... 74
5.2 Porosität, Carbonatisierung und Frost-Tausalz-Widerstand ... 75

6 Zusammenfassung ... 81

Quellenverzeichnis ... 84

Abbildungsverzeichnis ... 88

Tabellenverzeichnis ... 89

Anhang ... 90

1 Einleitung

Beton hat sich im Laufe des letzten Jahrhunderts zum meistverwendeten Konstruktionsbaustoff entwickelt /1/. Beton ist gut form- und verarbeitbar und ist heute, nicht zuletzt durch seine Wirtschaftlichkeit, für fast alle Anwendungsbereiche der Baubranche unverzichtbar.
Die Dauerhaftigkeit, d.h. die Beständigkeit des Betons gegenüber allen während der Nutzung zu erwartenden Einflüssen /2/ bestimmt unmittelbar die Gebrauchsfähigkeit und Nutzungsdauer des Bauteils oder Bauwerks. Die Dauerhaftigkeit wird von verschiedenen Betoneigenschaften, z.B. Gasdurchlässigkeit, Frost- und Frost-Tausalz-Widerstand und Carbonatisierungsfortschritt, beeinflußt – ist aber nicht durch eine absolute Größe darstellbar. Eine sachgemäße Herstellung und eine ausreichende Nachbehandlung des Betons verbessern die Dauerhaftigkeit ebenso wie die richtige Auswahl der Betonkomponenten. In den letzten 20 Jahren kamen beispielsweise eine Vielzahl neuer Betonzusatzstoffe und -zusatzmittel auf den Markt, deren Auswirkungen auf die Betoneigenschaften sowie Wechselwirkungen untereinander Einfluß auf die Dauerhaftigkeit haben.
Betonzusatzstoffe sind fein aufgeteilte Stoffe, die dem Beton in größeren Mengen zugegeben und als Volumenteil in der Stoffraumrechnung berücksichtigt werden. Die mineralischen Zusatzstoffe werden bezüglich ihrer Wirksamkeit im Beton in puzzolanische, latenthydraulische und inerte Betonzusätze eingeteilt. Am häufigsten werden Puzzolane wie z.B. Flugaschen (FA), die als Nebenprodukt von Stein- und Braunkohlekraftwerken anfallen, eingesetzt. Bei richtiger Verarbeitung und Nachbehandlung des Betons können Flugaschen die Festigkeit und Dichtigkeit positiv beeinflussen und nicht zuletzt durch Zementeinsparung die Kosten senken. Eine Steinkohlenflugasche kostet beispielsweise bis zu 50 Prozent weniger als der durch sie substituierte Zement /3/. Der Einsatz dieser Industrienebenprodukte stellt außerdem einen aktiven Beitrag zum Umweltschutz dar (Ressourcenschonung, Einsparung von Deponieraum) /3/. Flugaschen und andere mineralische Betonzusatzstoffe können dem Beton zugegeben werden, sofern ihre Unschädlichkeit im Beton nachgewiesen und die Gleichmäßigkeit der Produktion gegeben ist. Alle in Deutschland bauaufsichtlich zugelassenen Zusatzstoffe müssen diese Kriterien erfüllen. Bezüglich dauerhaftigkeitsrelevanter Betoneigenschaften treten dagegen sowohl positive als auch negative Effekte auf, woraus neue Kriterien für die Qualitätssicherung abgeleitet wurden, die aber ständig ergänzt werden müssen.
Trotz erweiterter Normen und Richtlinien für den Einsatz mineralischer Zusatzstoffe, die heute auch Dauerhaftigkeitskriterien berücksichtigen, treten noch immer Schäden an Betonbauwerken auf. Die Ursachen hierfür können vielschichtig sein. Mangelnde Ausführungsqualität und fehlerhafter Entwurf können auslösende Faktoren sein – aber auch die Komplexität der auftretenden Schädigungsmechanismen wird oft unterschätzt. Daher ist es wichtig, in der Praxis auf Qualität zu achten und damit auf langfristige Kostenersparnis zu setzen. Die Aufgabe der Forschung ist es, möglichst alle Aspekte der komplexen Schädigungsvorgänge aufzudecken und so den Beton gegenüber der zu erwartenden Beanspruchung zu optimieren.
Die Schädigung von Beton durch Frost- und Frost-Tausalz-Angriff war in den letzten Jahrzehnten Gegenstand vieler Forschungsarbeiten. Obwohl eine einheitliche Auffassung zu den chemischen und physikalischen Schädigungsmechanismen noch immer nicht besteht, ist es heute bereits möglich, durch die gezielte Beeinflussung des Porensystems im Beton einen hohen Frost- und Frost-Tausalz-Widerstand (FTW und FTSW) zu erzielen. Die Optimierung des Porensystems allein reicht jedoch nicht aus. Vor allem beim FTSW wurden beispielsweise erhebliche zementabhängige Unterschiede beobachtet /4, 5/. Auch der Einsatz verschiedener mineralischer Betonzusatzstoffe könnte sich je nach Art und Menge unterschiedlich auf den FTSW auswirken. Der Umfang der Schädigung hängt weiterhin vom Carbonatisierungsverhalten, der Nachbehandlungsart und -dauer und den Lagerungsbedingungen des Betons ab. Speziell der Einfluß der Carbonatisierung auf den FTSW wurde bislang nur in geringem Umfang untersucht. Die diesbezüglichen chemischen und physikalischen Zusammenhänge erfordern weitere Untersuchungen.

Das Ziel dieser Diplomarbeit ist es, Zusammenhänge zwischen der Carbonatisierung und dem Frost-Tausalz-Widerstand von Beton mit mineralischen Zusatzstoffen zu untersuchen. Wichtige Parameter der Betonherstellung, -lagerung und -beanspruchung, die die Carbonatisierung und den FTSW beeinflussen, sind zu ermitteln und hinsichtlich ihrer Bedeutung für die Dauerhaftigkeit zu bewerten. Um möglichst praxisnah zu arbeiten, wird zu diesem Zweck eine Straßenbetonmischung gewählt, bei der ein Teil des Zementes durch verschiedene mineralische Zusatzstoffe substituiert wird. Hierbei kommt eine bewährte Steinkohlenflugasche, eine seit einigen Jahren bauaufsichtlich zugelassene Braunkohlenflugasche sowie der im Bereich des Straßenbetons eher unkonventionelle Zusatzstoff Metakaolin zum Einsatz. Daneben wird, als Pendant zu einer Zementsubstitution durch SFA, ein nordeuropäischer Portlandflugaschezement eingesetzt. Beim Zementersatz wird mit unterschiedlichen Substitutionsmengen gearbeitet. Somit können neben den Ergebnissen bezüglich der Auswirkungen der verschiedenen Betonzusatzstoffe auf wichtige Frisch- und Festbetonparameter auch Anhaltspunkte für die Optimierung der Substitutionsmenge (bezüglich Verarbeitbarkeit und Dauerhaftigkeit des Betons) gewonnen werden. Die Herstellung des Betons erfolgt unter Beachtung der allgemein geltenden Betonnormen sowie der ZTV Beton-Stb 93 (Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für den Bau von Fahrbahndecken aus Beton). Die Frage nach dem Einfluß der Zusatzstoffe auf den gerade für Straßenbeton wichtigen Frost-Tausalz-Widerstand wird unter Anwendung des CDF-Verfahrens (Capillary Suction of Deicing Chemicals and Freeze-Thaw Test) geklärt. Um Zusammenhänge zwischen Carbonatisierung und FTSW untersuchen zu können, wird die Carbonatisierung eines Teiles der Proben vor dem CDF-Test durch entsprechende Lagerungsbedingungen beschleunigt.

Die in der vorliegenden Diplomarbeit gewonnenen Erkenntnisse sollen dazu beitragen, durch den gezielten Einsatz mineralischer Betonzusatzstoffe die Dauerhaftigkeit von Straßenbeton zu optimieren. Dabei wird auch auf die Problematik der Anrechenbarkeit dieser Zusatzstoffe auf den Wasserzementwert eingegangen. Die Arbeit soll einen weiteren Beitrag zur Klärung der Zusammenhänge zwischen der Schädigung von Beton mit mineralischen Zusatzstoffen durch Frost-Tausalz-Angriff und der Carbonatisierung liefern.

[...]

/1/ Wicht, B.: Carbonatisierung von Beton. Arconis Liberi, Fraunhofer IRB Verlag, 1992.

/2/ Stark, J.; Wicht, B.: Dauerhaftigkeit von Beton. Schriften der HAB Weimar –Universität –, 1995.

/3/ Sybertz, F.: Beurteilung der Wirksamkeit von Steinkohlenflugaschen als Betonzusatzstoff. Dissertation; Deutscher Ausschuß für Stahlbeton DafStb Berlin, 1993.

/4/ Ludwig, H.-M.: Zur Rolle von Phasenumwandlungen bei der Frost- und Frost- Tausalz-Belastung von Beton. Dissertation; Bauhaus-Universität Weimar, 1996.

/5/ Ludwig, H.-M.; Stark, J.: Frost- und Frost-Tausalz-Widerstand von hüttensandreichen HOZ-Betonen. Wiss. Ztschr. HAB Weimar 40 5/6/7; Weimar, 1994.