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

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Kenntnisstand
2.1 Carbonatisierung
2.2 Schädigungsmechanismen beim Frost-Tausalz-Angriff
2.3 Zusammenhänge zwischen Carbonatisierung und FTSW
2.4 Einflußgrößen auf Carbonatisierung und FTSW von Beton
2.1.1 Einfluß der Mischungsbestandteile auf die Carbonatisierung und den FTSW von Beton
2.1.2 Einfluß des Wasserzementwertes
2.1.3 Einfluß der Nachbehandlung und der Lagerungsbedingungen
2.1.4 Übersicht
2.5 Zum Einfluß von Flugaschen und Metakaolin auf die Carbonatisierung und den FTSW von Beton

3 Versuchsprogramm und Voruntersuchungen
3.1 Versuchsprogramm
3.2 Übersicht zum Versuchsprogramm
3.3 Charakterisierung der Betonausgangsstoffe
3.3.1 Zemente
3.3.2 Mineralische Zusatzstoffe
3.3.3 Zusatzmittel
3.3.4 Zuschlag
3.3.5 Zugabewasser
3.4 Mischungsberechnung
3.5 Betonherstellung und Lagerungsbedingungen

4 Versuchsergebnisse
4.1 Betonkennwerte im Rahmen der Eignungsprüfung
4.1.1 Frischbetonkennwerte
4.1.2 Festbetonkennwerte
4.2 Gefügeuntersuchungen am Festbeton
4.2.1 Porengrößenverteilung (Quecksilberhochdruckporosimetrie)
4.2.2 Luftporenkennwerte (Bildanalyse)
4.3 Carbonatisierungstiefen
4.4 Bestimmung des Frost-Tausalz-Widerstandes im CDF-Test
4.4.1 Kapillares Saugen
4.4.2 Abwitterungsmengen und mittlere Abwitterungstiefen
4.5 Röntgenanalytische Untersuchungen
4.5.1 Untersuchungen an Anfangsabwitterungen
4.5.2 Untersuchungen an Zementsteinproben
4.6 Rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen

5 Wertung und Diskussion der Ergebnisse
5.1 Druckfestigkeit
5.2 Porosität, Carbonatisierung und Frost-Tausalz-Widerstand

6 Zusammenfassung

Quellenverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Anhang

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, latent- hydraulische 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 dauerhaftigkeits- relevanter 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 Lagerungs- bedingungen 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.

2 Kenntnisstand

2.1 Carbonatisierung

Die Reaktion der Hydratphasen im Zementstein mit Kohlendioxid wird als Carbonatisierung bezeichnet. Es handelt sich dabei um eine über einen längeren Zeitraum ablaufende chemische Reaktion („chemische Alterung des Betons“ /1/), die durch das Eindringen von CO2 aus der Luft über das Porengefüge in den Beton verursacht wird. Das Kohlendioxid ist bestrebt, die hochalkalische Porenlösung zu neutralisieren und reagiert mit ihr zu Calciumcarbonat (CaCO3). Dieser Prozeß beginnt an der Betonoberfläche und setzt sich über Jahre hinweg bis ins Innere des Betons fort. Geschwindigkeitsbestimmender Faktor ist hierbei die Diffusionsgeschwindigkeit (Ficksches Gesetz) des Kohlendioxids durch das Porensystem des Betons /2/. Das Fortschreiten der Carbonatisierung ist somit der Wurzel aus der Zeit direkt proportional und hängt neben der CO2-Konzentration in erster Linie vom Anteil der offenen Porosität (Kapillarporenbereich: 10 nm bis 100 µm) ab /2/.

Bei der Carbonatisierung reagiert zuerst das Calciumhydroxid in der Porenlösung (Gleichung 1), was durch Lösungsvorgänge von Kristallen des Portlandits (festes Ca(OH)2) zunächst ständig in die Porenlösung nachgeliefert wird. Die thermodynamische Wahrscheinlichkeit des Carbonatisierungsablaufs ist für Ca(OH)2 am größten /2/. Neben dem Ca(OH)2 carbonatisieren jedoch auch CSH-Phasen (Gleichung 2).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Gleichung 1: Carbonatisierung von Calciumhydroxid

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Gleichung 2: Carbonatisierung von CSH-Phasen

Kalium- und Natriumhydroxid carbonatisieren ebenso, jedoch erst dann, wenn das gesamte Ca(OH)2 aus der Porenlösung verbraucht worden ist. Das bei jeder der in Gleichung 1 und 2 aufgeführten Reaktionen gebildete Calciumcarbonat kann in folgenden mineralogischen Modifikationen und den entsprechenden Kristallformen auftreten:

- Calcit (rhomboedrisch)
- Vaterit (hexagonal)
- Aragonit (orthorhombisch)

Thermodynamisch stabil und festigkeitsbildend ist dabei lediglich der Calcit. Die beiden anderen CaCO3-Modifikationen sind metastabile Phasen. Nach /6/ werden bei der Carbonatisierung immer zuerst metastabile Phasen gebildet, die sich erst nachfolgend in Calcit umwandeln (Abbildung 1). Die höhere Keimbildungsenergie und das schnellere Kristallwachstum der metastabilen Carbonate erklären die primäre Bildung von Aragonit und Vaterit.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Umwandlung von Hydratphasen in Calciumcarbonat /6/

Bei der Carbonatisierung von Calciumhydroxid läuft diese Reaktion sehr schnell ab. Die metastabilen Phasen wandeln sich sozusagen sofort in Calcit um. Bei der Carbonatisierung von CSH-Phasen und aluminathaltigen Phasen waren dagegen auch nach längerer Zeit noch erhebliche Mengen an Aragonit und Vaterit vorhanden. Die Umwandlungsprozesse nach /6/ scheinen hier also viel langsamer abzulaufen als bei der Carbonatisierung von Calciumhydroxid. /4/

- Carbonatisierung von PZ-Betonen (hoher Portlanditanteil)

Die Carbonatisierung von Portlandzementbetonen führt zur Verringerung der Kapillarporosität durch die etwa 11-prozentige Volumenzunahme bei der Umsetzung von Ca(OH)2 zu CaCO3 und damit zu einer Gefügeverdichtung /4/.

Der Umwandlungsprozeß der Hydratphasen in Calcit verläuft sehr schnell. Aragonit und Vaterit zerfallen sofort zu Calcit /6/.

- Carbonatisierung von HOZ-Betonen (geringerer Portlanditanteil)

Die Carbonatisierung von HOZ-Betonen dagegen führt in der Regel zu einer Vergröberung des Betongefüges. Der geringere Portlanditanteil dieser Betone führt dazu, daß die Umsetzung von CSH-Phasen in Calciumcarbonat die primäre Reaktion darstellt. Dabei wird neben CaCO3 auch hochporöses Kieselgel gebildet, was einen Anstieg der Kapillarporosität und damit die Verringerung der Dichtigkeit des Betons auslöst. /4/

Die Hydratphasen wandeln sich zunächst in Aragonit beziehungsweise Vaterit um. Die weitere Umwandlung zu Calcit verläuft sehr langsam, was nach /7/ das „relativ stabile Auftreten dieser metastabilen Phasen“ erklären kann.

Die pH-Wert-Absenkung während der Carbonatisierung führt zur Depassivierung der Schutzschicht der Bewehrung im Stahlbeton. Obwohl das carbonatisierungsbedingte Absinken des pH-Wertes für die Dauerhaftigkeit von Stahlbeton von großer Bedeutung ist, wird die Dauerhaftigkeit von unbewehrtem Beton durch niedrigere Alkalität nicht beeinflußt. Von größerem Interesse, auch bezüglich des Themas dieser Diplomarbeit, sind die durch die Carbonatisierung hervorgerufenen Gefügeveränderungen an der Betonoberfläche sowie das Auftreten von unterschiedlichen CaCO3-Modifikationen beim Einsatz mineralischer Zusatzstoffe.

2.2 Schädigungsmechanismen beim Frost-Tausalz-Angriff

Die Schädigung von Beton durch Frost-(Tausalz-)Angriff ist durch verschiedene komplexe Zerstörungsmechanismen gekennzeichnet, zu deren Wirkungsweisen noch immer unterschiedliche Auffassungen bestehen. Dennoch konnte anhand von Forschungsergebnissen eine Unterteilung in makroskopische und mikroskopische Zerstörungsmechanismen (Tabelle 1) erfolgen /2/.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1: Mögliche Schädigungsmechanismen beim Frost- und Frost-Tausalz-Angriff

- Makroskopische Ursachen

Die ungleichen Temperaturausdehnungskoeffizienten von Zementstein und Zuschlag sowie ein rapider Temperatursturz können bei normgerecht hergestelltem Beton als Schadensursache praktisch ausgeschlossen werden /2/. Das schichtenweise Gefrieren ist beim Frost-Tausalz-Angriff umsomehr von Bedeutung. Durch den Einsatz von Tausalzen zur Vermeidung von Eisbildung wird der Gefrierpunkt der Lösung erniedrigt. Das Wasser gefriert somit bei niedrigeren Temperaturen. Die für das Auftauen des vorhandenen Eises benötigte Wärme wird dem Beton entzogen. Die Tausalzlösung dringt in den Beton ein, was zu einem Konzentrationsunterschied zwischen Betonoberfläche (hohe Salzkonzentration) und den tiefer liegenden Schichten (geringe Salzkonzentration) führt. Fällt die Temperatur unter den Gefrierpunkt der Tausalzlösung, gefriert zunächst das Wasser in der Betonoberfläche. Nach einiger Zeit kühlen auch die tieferliegenden Betonschichten ab, was zur Eisbildung in der tiefer liegenden Betonschicht (geringste Salzkonzentration) führt. Die höhere Salzkonzentration der Lösung im Bereich zwischen der oberen und tiefer liegenden Schicht führt dazu, daß diese „Mittelschicht“ zuletzt gefriert. Da ein Druckausgleich für die Mittelschicht nicht mehr möglich ist, wird die obere Schicht des Betons abgesprengt (Abbildung 2). Das Schadensbild sind somit dünne, plattige Abwitterung der Betonoberfläche. Ähnliche Schäden können laut /2/ auch bei reinem Frostangriff, bedingt durch fertigungsbedingte Inhomogenitäten zwischen Kern- und Randbeton, auftreten.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Prinzipskizze des Schichtenweisen Gefrierens

- Mikroskopische Ursachen

Der kapillare Effekt und der hydraulische Druck sind die wesentlichen Schadensursachen für frostbedingte Schäden im mikroskopischen Zementsteingefüge. Beide Mechanismen treten im Beton auch ohne den Einsatz von Tausalzen auf.

Beim Phasenübergang von Wasser zu Eis findet eine Volumenvergrößerung von ca. 9 Prozent statt (Dichteanomalie des Wassers). Nicht nur durch diese Ausdehnung selbst, sondern auch das dadurch verdrängte Wasser führt zu einem Innendruck, der bei Überschreitung der Zugfestigkeit des Betons zur Gefügezerstörung führen kann. Dieses Prinzip wird nach Powers als hydraulischer Druck bezeichnet /2/. Die Größe des Druckes hängt vor allem von der Streckenlänge vom Ort der Eisbildung bis zum nächsten Expansionsraum (z.B. Luftpore) ab. Dieser Zusammenhang erklärt damit die Anforderungen bezüglich des maximalen Abstandsfaktors für Mikroluftporen im Beton.

Die Abhängigkeit des Gefrierpunktes von der Porengröße führt zum sogenannten kapillaren Effekt. Das Porengefüge des Zementsteins im Beton kann anhand des Porendurchmessers in drei Bereiche gegliedert werden:

ƒ- Gelporenbereich (< 1 nm)
ƒ- Kapillarporenbereich (10 nm bis 10µm)
ƒ- Luft- oder Grobporenbereich (10 µm bis 1000 µm)

Das Gelporenwasser gefriert erst bei sehr niedrigen Temperaturen, die in der Praxis kaum erreicht werden. Gefriert das Wasser in den größeren Poren, entsteht ein thermodynamisches Ungleichgewicht. Das Wasser aus den kleineren Gelporen ist bestrebt, zum Eis in den größeren Poren oder zur eisbedeckten Betonoberfläche zu gelangen (Dampfdruck über Wasser ist größer als über Eis). Dieser Mechanismus erklärt damit Gefügeausdehnungen von Beton auch bei konstant niedriger Temperatur /2/.

Die Wirkmechanismen des Kristallisationsdruckes sowie des Thermodynamischen Modells nach Setzer sind noch nicht endgültig geklärt. Daher sollen diese Mechanismen hier nicht näher erläutert werden. Der osmotische Druck stellt keine primäre Schadensursache dar. /2/

Die Wirkprinzipien der erläuterten Schädigungsvorgänge machen deutlich, daß der Anteil von Kapillarporen im Beton für den FTSW von überragender Bedeutung ist. Alle Mechanismen haben gemeinsam, daß zunächst Wasser (mit oder ohne Tausalzlösung) in das Betongefüge eindringen muß. Sieht man von möglichen Rissen im Beton ab, sind nur die Kapillarporen für den Wassertransport ins Betoninnere geeignet. Ebenso wird deutlich, daß die Schädigung des Betons durch Frost-Tausalz-Angriff im wesentlichen eine Oberflächenschädigung zur Folge hat, während reiner Frostangriff primär zu Gefügezerstörungen im Betoninneren führt. So werden zusätzliche Ultraschalluntersuchungen des Betongefüges im allgemeinen nur in Kombination mit dem CF-Verfahren /8/ (ohne Tausalze) vorgenommen (CIF-Test).

Alle bisher erläuterten Schadensmechanismen sind physikalischer Natur. Der Einfluß chemisch-mineralogischer Prozesse auf den Frost-(Tausalz-)Widerstand wurde bisher nur von wenigen Autoren untersucht. Diesbezügliche Hypothesen wurden von Ludwig /4/ zusammengefaßt. Demnach kann sich beispielsweise beim reinen Frostangriff wie auch beim Frost-Tausalz-Angriff sekundär Trisulfat (Ettringit) bilden, was physikalische Schädigungs- prozesse unter Umständen verstärken könnte. Die umwandlungsfähige Monosulfatmenge vor der Befrostung war hierbei bezüglich der bildbaren Menge an Ettringit entscheidend /4/.

2.3 Zusammenhänge zwischen Carbonatisierung und FTSW

Da sich der Frost-Tausalz-Angriff primär auf die Betonoberfläche bezieht, die ebenfalls die Angriffsfläche für die beginnende Carbonatisierung darstellt, sind Wechselwirkungen zwischen beiden Vorgängen naheliegend. Zusammenhänge zwischen Carbonatisierung und FTSW wurden erstmals bei Hochofenzementbetonen vermutet (siehe 2.1.1) und untersucht /4, 5/. Der unbefriedigende FTSW dieser Betone im CDF-Test gab den Anlaß zu diesen Untersuchungen.

Der Abwitterungsverlauf von HOZ-Betonen im CDF-Test zur Überprüfung des FTSW ist durch ausgesprochen hohe Anfangsabwitterungen gekennzeichnet, die bereits nach vier bis acht Frost-Tau-Wechseln das Abnahmekriterium für den CDF-Test nach /9/ überschreiten. Die Abwitterungskurve knickt dann in diesem Bereich ab und weist bis Befrostungsende eine ähnliche oder sogar geringere Steigung auf als hinsichtlich der Festigkeit vergleichbare Portlandzementbetone (Abbildung 3). Die Menge der eingebrachten Luftporen spielt im Gegensatz zum PZ-Beton hier keine so große Rolle.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Typische Abwitterungsverläufe im CDF-Test /2/

Da die Schädigung durch den Frost-Tausalz-Angriff im wesentlichen die Oberflächenschicht des Betons betrifft, sind Zusammenhänge mit dem Hydratationsgrad eher unwahrscheinlich. Auch das durch die beim HOZ-Beton auftretende Carbonatisierung von CSH-Phasen entstehende poröse Kieselgel und das daraus resultierende gröbere Gesamtgefüge (im Vergleich mit PZ-Beton) kann nicht die alleinige Ursache für die hohen Anfangsabwitterungen sein. In diesem Falle müßte das Phänomen auch beim Frostangriff auftreten, der aber im CF-Test von linearen Abwitterungsverläufen gekennzeichnet ist /5/. Die carbonatisierte Oberfläche wittert beim Frostangriff jedoch genauso stark ab wie der darunter liegende nicht carbonatisierte Beton. Naheliegender ist die Möglichkeit, daß die Carbonatisierung nicht nur zu Veränderungen des Betongefüges, sondern zu einer chemisch oder mineralogisch veränderten Betonoberfläche führt, die sensibler auf den Angriff von Frost in Kombination mit Tausalzen reagiert. Diese Vermutung konnte anschließend in Untersuchungen bekräftigt werden /4/.

Um unterschiedlich stark carbonatisierte Proben zu erhalten, wurden die in /4/ hergestellten Betonprobekörper drei unterschiedlichen Lagerungsbedingungen ausgesetzt (Stickstoff, Luft, Kohlendioxid). Während die stickstoffgelagerten (nicht carbonatisierten) Proben einen linearen Abwitterungsverlauf aufwiesen, kam es bei den normalgelagerten Probekörpern zu dem typischen abknickenden Kurvenverlauf durch hohe Anfangsabwitterungen. Der in 100- prozentiger CO2-Atmosphäre gelagerte Beton (12,5 mm Carbonatisierungstiefe) zeigte extrem hohe Abwitterungen. Der Knickpunkt war hier durch die größere Carbonatisierungstiefe zu späteren FTW verschoben. Dies deutet darauf hin, daß im Falle des HOZ-Betons tatsächlich die Carbonatisierung den Frost-Tausalz-Widerstand verringert. Gefügeanalysen von Betonen bestätigten die schon früher beobachtete Gefügevergröberung (Anstieg des Kapillarporenanteils) der HOZ-Betone durch die Carbonatisierung. Jedoch ist der Kapillarporenanteil auch nach der Carbonatisierung geringer als der eines PZ-Betons. Phasenanalytische Untersuchungen mittels XRD an Zementsteinen ergaben, daß bei der Carbonatisierung des HOZ-Beton neben Calcit auch die beiden metastabilen CaCO3- Modifikationen Aragonit und Vaterit entstehen, die unter Anwesenheit von Chloriden eine erhöhte Löslichkeit aufweisen, während bei der Carbonatisierung des PZ-Betons ausschließlich Calcit entstand. Chloride sind durch das eingesetzte NaCl der Tausalzlösung beim CDF-Test immer vorhanden. Weitere Untersuchungen von /4/ an Zementsteinen ergaben, daß sich die metastabilen Phasen Aragonit und Vaterit tatsächlich während der Befrostung lösten und als schlecht kristalliner Calcit (Calcit II /10/) rekristallisierten. Zusätzliche Untersuchungen (ESMA, REM, XRD) bestätigten, daß sich die Aragonit- und Vateritnadeln, die vor der Befrostung noch gut auskristallisiert sichtbar waren, während des CDF-Tests auflösten und nur der Calcit stabil genug war. Allerdings konnte Vaterit erst ab einem Hüttensandgehalt von 50 Prozent oder mehr nachgewiesen werden, was nach /4/ jedoch auch auf die relativ geringen Carbonatisierungstiefen bzw. Verdünnungseffekte der untersuchten Proben zurückzuführen sein könnte. Oberhalb von 65 Prozent HÜS-Gehalt entstand in der Regel zusätzlich Aragonit. Bei geringen Hüttensandgehalten (unter 50%) bildete sich definitiv weniger Vaterit und der FTSW war entsprechend besser. /4/ Die geringe Stabilität des Vaterits und Aragonits führt demnach zu hohen Anfangsabwitterungen des carbonatisierten Betons. Es bleibt die Frage, ob nun der Hüttensandgehalt selbst oder der damit verbundene geringere Gehalt an Portlandit zur Bildung dieser Modifikationen während der Carbonatisierung führen. Fest steht, daß bei geringeren Portlanditanteilen auch CSH-Phasen carbonatisieren. Dies führt nach /4/ auch zur Bildung der metastabilen CaCO3-Modifikationen.

Das Auftreten dieses Phänomens wurde bislang nur im Hochofenzementbeton beobachtet. Jedoch könnte ähnliches auch im PZ-Beton beim Einsatz von mineralischen Zusatzstoffen oder bei Anwendung von Portlandkompositzementen auftreten, da auch hier die Menge an Portlandit im jungen Beton gering sein kann, insbesondere bei relativ hohen Substitutionsmengen durch Puzzolane. Obwohl aus diesem Bereich keine so extrem hohen Anfangsabwitterungen bekannt sind, ist der Frost-Tausalz-Widerstand bei FA-Betonen, trotz des dichteren Porengefüges, meist etwas schlechter einzuschätzen als der des Referenzbetons, was Untersuchungen belegen /11, 31, 32/.

Die Bildung von Vaterit in FA-Beton wurde von /12/ bereits beobachtet. Dabei war ebenfalls die Menge des durch die Carbonatisierung gebildeten Vaterits bei hohen Substitutionsgraden am größten. Der FTSW wurde hier leider nicht untersucht. Im Rahmen der gleichen Versuchsreihe wurden Unterschiede zwischen natürlicher (0,03 % CO2) und beschleunigter (5 oder 100 % CO2) Carbonatisierung festgestellt. Während bei der beschleunigten Carbo- natisierung immer eine Gefügeverdichtung der FA-Betone über die Zeit festzustellen war, kam es bei Lagerung im Normalklima nach einem Jahr zu einer Gefügevergröberung. Allerdings nur bei höheren Substitutionsgraden von 35 und 50 Prozent /12/. Zweifel an der Vergleichbarkeit von beschleunigter Carbonatisierung und Langzeitversuchen unter praxisnahen Bedingungen sind also angebracht und bedürfen weiterer Untersuchungen.

Bezugnehmend auf die oben genannten Forschungen sollen im Rahmen dieser Diplomarbeit Zusammenhänge zwischen Carbonatisierung und FTSW an einem Straßenbeton untersucht werden. Verschiedene mineralische Zusatzstoffe werden zur Zementsubstitution eingesetzt. Der Beton soll einen möglichst hohen FTSW aufweisen. Auftretende Änderungen des FTSW durch unterschiedliche Lagerungsbedingungen und den Einsatz der verschiedenen Betonzusatzstoffe werden hinsichtlich ihrer Zusammenhänge mit der Carbonatisierung untersucht.

2.4 Einflußgrößen auf Carbonatisierung und FTSW von Beton

Die Dauerhaftigkeit von Beton kann nicht durch einen einheitlichen Kennwert charakterisiert werden /2/. Dennoch existieren dauerhaftigkeitsrelevante Größen für spezielle Anwendungsbereiche eines Betons, wie z.B. die Dichtigkeit gegenüber Gasen oder Flüssigkeiten, die Carbonatisierungstiefe oder etwa der Frost-(Tausalz-)Widerstand. Die Bedeutsamkeit dieser Kenngrößen hängt im wesentlichen von den im Laufe der Nutzung des Bauwerks auftretenden Umwelteinflüssen und der zu erwartenden Beanspruchung sowie Schädigungsart ab.

Schädigungen im Beton infolge Carbonatisierung und Frost-Tausalz-Angriff werden durch innere (Mischungsbestandteile) und äußere Faktoren (Nachbehandlung, Lagerungsbedingungen, Umwelteinflüsse allgemein) beeinflußt. Im folgenden werden die wichtigsten Einflußgrößen auf die Dauerhaftigkeit von Beton erläutert. Die Porosität, die Carbonatisierung und der Frost-Tausalz-Widerstand sollen dabei aufgrund der in dieser Arbeit untersuchten Zusammenhänge im Vordergrund stehen.

2.4.1 Einfluß der Mischungsbestandteile auf die Carbonatisierung und den FTSW von Beton

Setzt man die sachgemäße Herstellung und vor allem eine gute Nachbehandlung des Betons voraus, ist die entscheidende Voraussetzung für einen ausreichend dauerhaften Beton die Auswahl der für den jeweiligen Anwendungsfall geeigneten Betonausgangsstoffe. Da Beton ein inhomogener Baustoff ist, der durch das Zusammenwirken seiner Komponenten zu einer Einheit erhärtet, ist auch die Dauerhaftigkeit dieses Baustoffes nur durch eine optimale Abstimmung der Mischungsbestandteile untereinander zu erreichen. Zu den Auswirkungen des Einsatzes verschiedener Betonkomponenten auf die Dauerhaftigkeit bestehen in der Literatur zum Teil unterschiedliche Auffassungen. Nachfolgend werden mögliche dauerhaftigkeitsrelevante Einflüsse der Mischungsbestandteile Zuschlag, Zement, Betonzusatzstoffe und -mittel erörtert.

(a) Zuschlagstoffe

Da Zuschläge hinsichtlich Masse und Volumen den Hauptbestandteil des Betons bilden, sind sie auch für nahezu alle Festbetoneigenschaften relevant. Der Zuschlag kann die Betoneigenschaften und damit auch die Dauerhaftigkeit sowohl physikalisch als auch chemisch beeinflussen. Durch den Einsatz von gebrochenem Zuschlag (Brechsand, Splitt) kann beispielsweise eine erhöhte Abrieb- und Biegezugfestigkeit durch den Verzahnungseffekt der Zuschlagkörner untereinander erzielt werden. Ausschlaggebend für einen dauerhaften Beton sind aber in der Regel dichte Zuschläge, d.h. Zuschläge mit geringer Porosität und meist hoher Druckfestigkeit. Daneben dient eine gut abgestufte Sieblinie zum einen dem besseren Verbund, zum anderen der Verbesserung der Verarbeitbarkeit und der Erhöhung der Dichtigkeit durch die Ausfüllung von Zwickelräumen im Beton.

Die meisten Schädigungsvorgänge im Beton werden durch das Eindringen verschiedener Gase und Flüssigkeiten in das Porensystem des Betons ausgelöst. Die Porosität des Zuschlags ist daher mitbestimmend für den Carbonatisierungsfortschritt und den FTW / FTSW. Mit Leichtzuschlägen hergestellte Betone carbonatisieren schneller, da die Diffusion des Kohlendioxids aus der Luft durch das hochporöse Gefüge beschleunigt wird /2/. Neben der Gesamtporosität ist für den Frost- und Frost-Tausalz-Widerstand des Betons auch die Porengrößenverteilung des Zuschlags entscheidend. Ein hoher Kapillarporenanteil und damit eine hohe Wasseraufnahme kann zu stärkerer Frostempfindlichkeit führen. Einzelne frostempfindliche Zuschläge in der Nähe der Betonoberfläche führen zum typischen Schadensbild der „Pop-outs“, ganze Bereiche mit frostempfindlichen Zuschlägen zum sogenannten „D-cracking“, wobei für letzteres ausschließlich grobe frostempfindliche Zuschläge verantwortlich sind /2/. Die zur Herstellung von Beton mit hohem FTW und FTSW verwendeten Zuschläge müssen den erhöhten Anforderungen bezüglich Widerstand gegen Frost (eF) beziehungsweise gegen Frost und Taumittel (eFT) genügen. Die Einstufung der Zuschläge ist in der DIN 4226, T.1 geregelt /2/.

Das Eindringen wäßriger Lösungen in den Beton kann auch indirekt vom Zuschlaggrößtkorn beeinflußt werden. Zementstein und Zuschlag weisen unterschiedliche Wärmeausdehnungs- koeffizienten auf. Der Zementstein schwindet, während der Zuschlag sein Volumen bei der Erhärtung des Betons kaum verändert. Dies führt zur Bildung von Mikrorissen im Bereich der Korngrenzen, die zusätzlich zum Feuchtetransport im Beton beitragen können. Bis zu einem Größtkorn von 16 Millimetern erfolgt der Transport noch primär im Zementstein und ist damit größtenteils vom Wasserzementwert abhängig. Bei größeren Korndurchmessern verläuft der Transport zunehmend durch die feinen Risse entlang der Korngrenzen. Diesem Mechanismus folgt z.B. das Eindringen von Chloriden über wäßrige Lösungen in den Beton /2/.

Betonzuschläge können außerdem alkalireaktive Kieselsäure enthalten, die mit dem (alkalischen) Porenwasser des Betons chemisch reagiert, daß heißt Alkalisilikat bildet /13/. Dieser als Alkalikieselsäurereaktion (AKR) bezeichnete Vorgang kann zu schweren Schädigungen des Betons führen. Die Alkali-Richtlinie des DAfStb (Dez. 1997) regelt die Beurteilung der Zuschläge hinsichtlich ihrer alkaliempfindlichen Bestandteile.

(b) Zementgehalt und Zementart

Der Zementgehalt und die Art des eingesetzten Zementes selbst sind bestimmende Faktoren für die Dauerhaftigkeit des Betons. Der Carbonatisierungsfortschritt wird nach /1/ beispielsweise direkt vom Zementgehalt beeinflußt, was sich in Gleichung 3 widerspiegelt. Die Zeit tc, die zum Erreichen einer definierten Carbonatisierungstiefe benötigt wird, ist neben der Betondeckung Ü und dem Diffusionskoeffizienten D auch vom Gehalt A an reaktionsfähigen Stoffkomponenten abhängig. Der Gehalt A wächst wiederum linear mit dem Zementgehalt Z /1/.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Gleichung 3: Berechnung der Zeit zum Erreichen einer bestimmten Carbonatisierungstiefe /1/

Der Carbonatisierungsfortschritt sinkt also bei sonst gleichen Bedingungen mit der Erhöhung des Zementgehaltes. Diese Beziehung gilt natürlich nur im Bereich der in Normen festgelegten Zementmengen, die nicht zum Überschreiten des jeweils zulässigen Mehlkorngehaltes führen.

Bei Massenbeton ist darauf zu achten, die Hydratationswärme zu minimieren und somit Risse im Beton, die wiederum die Dauerhaftigkeit negativ beeinflussen, zu vermeiden. Dies kann selbstverständlich auch durch den Einsatz langsamerhärtender Zemente (NW-Zemente, CEM III o.ä.) erreicht werden - ein Beispiel für die Beeinflussung der Dauerhaftigkeit durch die richtige Wahl der Zementart. Die Zementart hat ebenfalls entscheidenden Einfluß auf den Carbonatisierungsfortschritt und ist mitbestimmend für den FTW und FTSW. Heute stehen der Bauindustrie eine Vielzahl von Zumahlstoffzementen zur Verfügung, die durch ihren Gehalt an latent-hydraulischen Stoffen oder Puzzolanen bei ausreichender Nachbehandlung und vollständiger Hydratation die Dauerhaftigkeit verbessern können. So beeinflußt zum Beispiel der Einsatz von Portlandflugaschezement (CEM II/A-V), einem häufig eingesetzten Kompositzement, das Porensystem des Betons. Durch die Verringerung der Gesamtporosität und die Herabsetzung der durchschnittlichen Porenradien, ausgedrückt durch die Verschiebung der Peaks der Porengrößenverteilung zu kleineren Porenradien hin, wird der Beton insgesamt dichter. Das Eindringen von Kohlendioxid und Feuchtigkeit, beispielsweise verbunden mit Chloriden, wird dadurch erschwert. Bezugnehmend auf Gleichung 3 wird durch die Verdichtung des Betongefüges auch der Diffusionskoeffizient und damit der Carbonatisierungsfortschritt gesenkt. Flugaschehaltige Betone weisen bei vergleichbarer Druckfestigkeit hinsichtlich ihres Carbonatisierungsfortschrittes kaum Unterschiede zu herkömmlichen Portlandzementbetonen (PZ-Betonen) auf /1/. Der Frost- und insbesondere der Frost-Tausalz-Widerstand von Portlandzementbeton ist jedoch meist besser einzustufen als der von Beton mit zumahlstoffhaltigen Zementen /2/.

Beim Einsatz von Hochofenzementen (CEM III) steigt die Carbonatisierungsgeschwindigkeit an, was durch das geringere Angebot von Portlandit (Calciumhydroxid) im Beton bedingt ist /1, 2/. Werden CEM III-Zemente mit einem hohen Hüttensandanteil eingesetzt, ist außerdem mit einem deutlich geringeren Frost-Tausalz-Widerstand zu rechnen /4, 5/. Mögliche Gründe hierfür werden im Punkt 2.2 dieser Diplomarbeit noch näher erläutert.

Bei „reinem“ Frostangriff, der im Gegensatz zum Frost-Tausalz-Angriff primär nicht zur Oberflächenschädigung führt, sondern hauptsächlich das Gefüge im Inneren des Betons zerstört, weisen Hochofenzementbetone (HOZ-Betone) dagegen ähnliche Schädigungen auf wie PZ-Betone. Der FTW der HOZ-Betone hängt dabei stark vom Hydratationsgrad und der Kapillarporosität ab. Steigt der Hydratationsgrad des HOZ-Betons über 50 Prozent, bildet sich ein sehr dichtes Gefüge aus, was sogar zu einem höheren Frostwiderstand als bei PZ-Betonen führt. Der Frostwiderstand ist zudem stark von der Qualität des Hüttensandes (und von der Betonnachbehandlung) abhängig und kann daher variieren. /5/

Bei vollständiger Hydratation ist das Gefüge des Betons, der mit zumahlstoffhaltigen Zementen hergestellt wurde, meist dichter und der Beton damit dauerhafter. Der geringere Portlanditgehalt im Beton führt dagegen zur Beschleunigung der Carbonatisierung.

(c) Mineralische Zusatzstoffe

Zusatzstoffe sind fein aufgeteilte Stoffe, die dem Beton in größeren Mengen zugegeben und bei der Stoffraumrechnung berücksichtigt werden. Betonzusatzstoffe können sich im Beton puzzolanisch, latent-hydraulisch oder inert verhalten.

Die am häufigsten eingesetzten Betonzusatzstoffe sind Puzzolane (z.B. Flugaschen, Silicastaub, Metakaolin). Nach dem derzeitigen Kenntnisstand bewirken Puzzolane unter bestimmten Bedingungen eine Erhöhung der Festigkeit und der Dauerhaftigkeit des Betons. Die Wirkungsweise von Puzzolanen im Beton basiert zum einen auf der physikalischchemischen Füllerwirkung, zum anderen auf der puzzolanischen Reaktion /14/.

- Füllerwirkung

Die Füllerwirkung tritt bei allen fein aufgeteilten mineralischen Zusatzstoffen auf, auch bei inerten und latent-hydraulischen Stoffen. Die Zwickelräume zwischen den Zementkörnern werden durch die feinen Partikel des Zusatzstoffes ausgefüllt. Dadurch wird für die Hydratation überflüssiges Wasser verdrängt. Gleichzeitig kann der Wasseranspruch des Betons gesenkt und die Verarbeitbarkeit verbessert werden, was zu höherer Festigkeit und Dichtigkeit führt. Eine Festigkeitssteigerung durch die Füllerwirkung erfolgt aber nur, wenn der Zusatzstoff Kornfraktionen enthält, die einen kleineren Durchmesser als die Zementkörner aufweisen. Neben dieser rheologischen Wirkung tritt bei allen Zusatzstoffen auch ein physikalisch-chemischer Effekt auf, der auf der Wirkung der feinen Partikel als Keimsubstrat beruht: Auf ihren Oberflächen lagern sich die Hydratationsprodukte der Klinkerminerale bevorzugt ab, da Kristallstrukturanalogien eine Verringerung der Keimbildungsenergie (Epitaxie) hervorrufen /14/.

- Puzzolanische Reaktion

Die glasigen, kieselsäurehaltigen Bestandteile der Puzzolane reagieren mit dem bei der Hydratation der Klinkermineralien gebildeten Portlandit (Ca(OH)2) unter Bildung von C-S-H- Phasen. Nach /14/ kann die Reaktion in folgender Gleichung ausgedrückt werden:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Gleichung 2: Prinzip der puzzolanischen Reaktion

Für aluminathaltige Phasen lassen sich ähnliche Gleichungen formulieren.

Zum Ablauf der Reaktion ist in jedem Falle das Vorhandensein von Feuchte als Transportmedium notwendig. Zusätzliches Wasser wird nach neueren Erkenntnissen bei der puzzolanischen Reaktion allerdings nicht eingebunden /14/.

Auf Effekte des Einsatzes mineralischer Betonzusatzstoffe bezüglich Carbonatisierung und FTSW von Beton wird im Abschnitt 2.5 dieser Arbeit näher eingegangen.

(d) Zusatzmittel

Zusatzmittel (ZM) werden dem Beton in geringen Mengen zugegeben, um gezielt bestimmte Frisch- und Festbetoneigenschaften zu beeinflussen. Für unterschiedliche Anwendungsfälle sind unterschiedliche Frischbetoneigenschaften von Vorteil, die durch das jeweilige Betonzusatzmittel eingestellt werden können. Nachfolgend werden kurz direkte und indirekte Auswirkungen der gebräuchlichsten Zusatzmittel erläutert:

- Betonverflüssiger und Fließmittel (BV und FM) dienen der Erzielung einer flüssigeren
Konsistenz beziehungsweise der Herabsetzung des Wasserzementwertes bei gleichbleibender Konsistenz. Durch einen niedrigeren w/z-Wert wird die Festigkeit und Dichtigkeit des Betons erhöht und damit die Dauerhaftigkeit verbessert.
- Durch Luftporenbildner (LP) werden gleichmäßig verteilte Mikroluftporen (< 0,3 mm) in den Beton eingebracht, die einerseits die Kapillaren unterbrechen und andererseits als Ausdehnungsraum für gefrierendes Wasser dienen. Der FTW und FTSW wird dadurch entscheidend verbessert. Luftporenbildner wirken gleichzeitig verflüssigend und in geringem Umfang festigkeitsmindernd /2/. Der Einfluß der Luftporen auf die Carbonatisierung ist umstritten /1/. In den durch /15/ durchgeführten Untersuchungen wird definitiv eine Verstärkung der Carbonatisierung durch einen höheren LP-Gehalt festgestellt. Die Luftporen im Beton sind demnach günstig für dem FTW und FTSW des Betons, beschleunigen jedoch den Carbonatisierungsfortschritt, da der Anteil der Zementsteinmatrix und damit des für die Carbonatisierung verfügbaren Ca(OH)2 sinkt /15/.
- Beschleuniger (BE) bewirken ein schnelleres Erstarren des Zementleims oder Erhärten des Zementsteins. Sie werden bevorzugt im Winterbau oder im Bereich Spritzbeton verwendet /13/. Bezüglich der Dauerhaftigkeit sind diese ZM bedenklich, da durch die schnellere Hydratation weniger langfaserige Hydratationsprodukte gebildet werden, dadurch die Endfestigkeit sinkt und weniger Erhärtungsreserven zu erwarten sind. Die Auffassungen bezüglich der Beeinflussung der Carbonatisierung sind unterschiedlich /1/.
- Verzögerer (VZ) ermöglichen längere Verarbeitungszeiten und werden zum Beispiel zur Vermeidung eines vorzeitigen Ansteifens des Betons bei heißer Witterung eingesetzt /13/. Auswirkungen auf die Dauerhaftigkeit sind nicht bekannt.
- Dichtungsmittel (DM) verengen die Kapillarporen mit Hilfe quellfähiger Stoffe. Der Flüssigkeitstransport wird behindert /13/. Sie können als positiv für die Dauerhaftigkeit eingeschätzt werden, werden jedoch selten angewendet.

Insbesondere bei der gemeinsamen Verwendung von Fließmittel und Luftporenbildner ist die Verträglichkeit beider ZM zu beachten. Manche FM können den Luftporengehalt und die Porenverteilung negativ beeinflussen /13/ und dadurch den FTW und FTSW des Betons herabsetzen.

2.4.2 Einfluß des Wasserzementwertes

Die Größe des Wasserzementwertes hat direkten Einfluß auf die Dauerhaftigkeit des Betons. Der Grund hierfür sind die bei steigendem w/z-Wert vermehrt gebildeten Kapillarporen in der Zementsteinmatrix. Kapillarporen entstehen durch aus dem Beton entweichendes, für die Hydratation nicht erforderliches und auch im Zementgel physikalisch nicht gebundenem Wasser. Je niedriger der Wasserzementwert also ist, desto weniger Kapillarporen können im Zementstein entstehen. Die Kapillarporen des Zementsteins (10 nm bis 100 µm) sind mögliche Transportwege für eindringende Flüssigkeiten und Gase /2/. Je geringer ihr Anteil an der Gesamtporosität des Betons ist, um so dichter ist der Beton. Wird der w/z-Wert beispielsweise von 0,50 auf 0,70 erhöht, steigt die Wasserdurchlässigkeit des Betons (bei vollständiger Hydratation) beispielsweise auf das 15-fache /2/.

Da die Diffusion von Gasen mit zunehmender offener Porosität schneller ablaufen kann, steigt auch die Carbonatisierungsgeschwindigkeit eines Betons mit zunehmendem Wasserzementwert, was in zahlreichen Untersuchungen belegt werden konnte /1, 2, 16, 17/. Der Frost- und Frost-Tausalz-Widerstand wird durch einen steigenden w/z-Wert verringert, da gerade hier der Flüssigkeitstransport über die Kapillarporen entscheidend ist. Besonders hohe Kapillarporenanteile über 25 Prozent führen zu untereinander verbundenen Kapillarporen (nach POWERS: Kontinuität), die zu einem besonders großen Anstieg der Wasserdurchlässigkeit führen und damit den FTW und FTSW signifikant verschlechtern. Der w/z-Wert von Beton mit hohem FTSW darf beispielsweise nicht größer als 0,50 sein. /2/ Ein zu hoher Wasserzementwert beeinflußt nahezu alle dauerhaftigkeitsrelevanten Kennwerte negativ und ist daher auch bei fast allen anderen „Betonen mit besonderen Eigenschaften“ (DIN 1045) nach oben beschränkt /13/.

2.4.3 Einfluß der Nachbehandlung und der Lagerungsbedingungen

In direktem Zusammenhang mit der Dauerhaftigkeit steht sowohl die Betonnachbehandlung (Art und Dauer) als auch die Lagerungsbedingungen des Betons nach der Herstellung. Während der Begriff der Nachbehandlung meist mit Belangen der Baupraxis in Verbindung gebracht wird, denkt man bei Lagerung vorrangig an Bedingungen im Labor. Diese Begriffe haben jedoch einige Gemeinsamkeiten: In den ersten Tagen nach der Betonherstellung soll dem Beton ein möglichst günstiges Umfeld zur Erhärtung und Gefügeausbildung geschaffen werden. Eine Wasserlagerung im Labor ist also durchaus mit in der Praxis üblichen Nachbehandlungsmaßnahmen zum Schutz vor Austrocknung zu vergleichen. Andere Formen der Lagerung im Labor dienen wiederum der (beschleunigten) Simulation realer Umwelteinflüsse. Der englische Begriff curing (wörtlich: „Heilen“) macht diese Parallelen besonders deutlich. Die Wasserlagerung unmittelbar nach Betonherstellung mit definierter Dauer wird nach /18/ beispielsweise als „initial curing“ bezeichnet und mit einer adäquaten Nachbehandlung gleichgesetzt. Lagerungsbedingungen und Nachbehandlung können vereinfachend und treffend als „curing“ bezeichnet werden.

Eine ausreichende Nachbehandlungsdauer und -qualität erhöht in jedem Falle die Dauerhaftigkeit des Betons. Die erforderlichen Betonfestigkeiten dagegen können in der Regel auch ohne jegliche Nachbehandlung erreicht werden. Das „self-curing“ der inneren Bereiche des Betons war nach /18/ zum Erreichen der geforderten Festigkeiten ausreichend. Hier wird besonders deutlich, daß das Erreichen einer bestimmten Betonfestigkeitsklasse kein alleiniges Dauerhaftigkeitskriterium darstellt. Wie Langzeitversuche bereits zeigten, hat die Art und Weise sowie Dauer der Nachbehandlung oder späteren Lagerung durchaus Einfluß auf die Betoneigenschaften.

So wurden beispielsweise in den in /18/ beschriebenen Versuchen Effekte auf die Carbonatisierung untersucht. Im Rahmen dieser Versuchsreihe wurden Betone mit verschiedenen Bindemittelgehalten hergestellt (250 bis 330 kg/m³), wobei bei der Hälfte der Proben der verwendete Portlandzement zu 30 Prozent durch eine calciumarme Flugasche substituiert wurde. Die Probekörper wurden nach der Herstellung unterschiedlich lange in Wasser gelagert (1, 7, 28 oder 91 Tage) und dann für 15 Jahre geschützt im Inneren eines Lagerhauses bzw. ungeschützt auf dem Dach dieses Gebäudes gelagert /18/. Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen, daß eine Verkürzung der Wasserlagerung von 91 Tagen auf 1 Tag in jedem Falle zu einer Erhöhung der Carbonatisierungstiefe führt. Die Nachbehandlungsdauer ist besonders für die Flugaschebetone von Bedeutung, da die puzzolanische Reaktion erst nach einigen Tagen einsetzt und insgesamt langsamer verläuft als die Hydratation eines „reinen“ PZ-Betons. Der Hydratationsgrad des unter Zementsubstitution durch FA hergestellten Betons liegt nach 7 Tagen noch deutlich unter dem des Portlandzementbetons ohne Zementsubstitution /18/. Die Carbonatisierungstiefen wurden wie erwartet stark von den Lagerungsbedingungen beeinflußt. Während die im Inneren des Gebäudes gelagerten Proben relativ stark carbonatisierten und lineare Carbonatisierungs- verläufe zeigten, waren die Carbonatisierungstiefen der außen exponierten Proben nach 15 Jahren teilweise um die Hälfte geringer. Dabei verlief der Carbonatisierungsfortschritt in den ersten zwei Jahren bei Innen- und Außenlagerung verhältnismäßig gleichartig; erst danach flachte die Kurve der außengelagerten Proben ab, wogegen die innengelagerten Proben einen unveränderten Carbonatisierungsfortschritt zeigten. Gründe hierfür sind zum einen der im Inneren des Gebäudes höhere CO2-Gehalt, zum anderen das fehlende Wasser zur Neubildung von Hydratphasen im Beton bei Innenlagerung /18/ (Genaue Angaben zur Luftfeuchtigkeit im Lagerhaus waren der Literatur leider nicht zu entnehmen). Andererseits müßte aber gerade das Fehlen von Feuchtigkeit die Carbonatisierung bremsen, da Wasser zur Reaktion notwendig ist /2/. Vermutlich hat sich das Porensystem der außengelagerten Probekörper durch Ablagerungen von Atmosphärilien zugesetzt, da die Auslagerung in einer japanischen Großstadt mit hoher Luftschadstoffkonzentration erfolgte. Der außen exponierte Beton könnte auch über längere Zeit so durchfeuchtet gewesen sein, daß kein Kohlendioxid mehr eindringen konnte.

Wie bereits erwähnt, beeinflußt neben der Dauer auch die Art der Nachbehandlung die Betoneigenschaften. Dies konnte durch /16/ nachgewiesen werden. Hier wurde festgestellt, daß die Nachbehandlung weniger relevant für die Betonfestigkeit als vielmehr für dessen Dichtigkeit ist, die innerhalb der Versuche durch die (offene) Porosität charakterisiert wurde. Die Porosität wurde nach dem als VPV (Volume of Permeable Voids; ASTM C 642) bekannten Verfahren bestimmt. Mittels VPV kann das Volumen der sozusagen untereinander verbundenen Poren (engl.: „interconnected porosity“; Kontinuität) bestimmt werden, ein maßgebender Faktor für die Geschwindigkeit von Gas- und Flüssigkeitstransporten im Porensystem des Betons. Die Betonzylinder wurden unmittelbar nach dem Ausschalen vier verschiedenen Methoden des Curings ausgesetzt:

(a) Wasserlagerung bei 23 2 °C (gemäß AS 1012)
(b) Verpacken in PE-Folie und Lagerung im Freien
(c) Abwechselnde Wasserlagerung und Luftlagerung (Simulation baupraktischer
Bedingungen)
(d) Anwendung zweier bewährter Nachbehandlungsmittel auf Wachsbasis (gemäß AS 3799); Lagerung im Freien /16/

Die Zylinder wurden auf diese Arten für eine Dauer von 3 bis 150 Tagen behandelt. Die geringsten Porositäten zeigten die wassergelagerten Probekörper. Die nach (c) gelagerten Zylinder hatten einen um 2 bis 6 Prozent größeren Porenraum. Die Porosität der in PE-Folie verpackten Proben (b) lag sogar um 21 Prozent über der der wassergelagerten Probekörper, verbunden mit einem Druckfestigkeitsverlust von 15 Prozent. Erstaunlicherweise schnitten die Nachbehandlungsmittel am schlechtesten ab (VPV: 37 % Zunahme; Druckfestigkeit: 22 % Abnahme). Nachbehandlungsmittel oder Folien sollten daher i.a. nicht für die Nachbehandlung von Beton in aggressivem Millieu eingesetzt werden. Zur Verbesserung der Wirkung von PE-Folien sollten nasse Leinentücher oder ein ähnliches Material unter die Folie gelegt und „gut versiegelt“ /16/ werden. Der Vorteil dieser Methode ist, daß die Folie gleichzeitig das Eindringen von Chloriden aus Salzwasser o.ä. in den jungen Beton verhindert /16/. Die größere Sensibilität von Betonen mit puzzolanischen Zusatzstoffen und Zementen niedriger Festigkeitsklassen gegenüber unzureichender Nachbehandlung wurde von /16/ bestätigt. Auch die Untersuchungen von /19/, /20/ und /21/ bestätigen, daß das „initial curing“ bei flugaschehaltigen Betonen von größerer Bedeutung ist als bei Portlandzementbetonen ohne Betonzusatzstoffe.

Der Einsatz wasserregulierender Schalungsbahnen wirkt sich überaus günstig auf die Dauerhaftigkeit des Betons aus. Auch hier ist der Effekt bei HOZ-Betonen besonders deutlich. Untersuchungen von /22/ und /23/ belegen, daß bei allein durch diese betontechnologische Maßnahme die Betonrandzone der untersuchten HOZ-Betone wesentlich dichter wird.

2.4.4 Übersicht

Die Auswertung der Literatur bezüglich der Einflüsse von Mischungsbestandteilen, Wasserzementwert sowie Nachbehandlung und Lagerung auf die Dauerhaftigkeit von Beton kann folgendermaßen zusammengefaßt werden:

- Dichte Zuschläge verbessern in der Regel die Dauerhaftigkeit.
- Zu hohe Zementsubstitutionsgrade durch Puzzolane (i.a. oberhalb von 30 %) und/oder ein zu geringer Zementgehalt beeinflussen die Dauerhaftigkeit negativ.
- Die 100-prozentige Anrechnung mineralischer Zusatzstoffe auf den Wasserzementwert verringert die Dauerhaftigkeit durch die Vergrößerung des Kapillarporenraumes (Dichtigkeit sinkt) /11/.
- Gleichzeitig kann eine teilweise Anrechnung von Betonzusatzstoffen (FA) auf den
Wasserzementwert [w/(z+k*f)] unter Umständen auch für Betone mit hohem FTSW, obwohl laut DIN nicht erlaubt, sinnvoll sein /11/.
- Die Prüfung des FTSW mittels CDF-Test bereits ab einem Betonalter von 28 Tagen könnte ein Handicap für langsamer erhärtende Betone und damit auch für Beton mit mineralischen Zusatzstoffen sein.
- Ein niedriger Wasserzementwert (w/z=0,50 oder geringer) begünstigt in jedem Falle die Dauerhaftigkeit.
- Eine längere Nachbehandlung des jungen Betons begünstigt die Dichtigkeit und damit die Dauerhaftigkeit des Betons, insbesondere beim Einsatz von Puzzolanen als Betonzusatzstoffe und bei den meisten Zumahlstoffzementen (CEM II und III). - Wird die Betonrandzone von HOZ-Beton mit wasserregulierenden Schalungsbahnen versehen, wird ihre Dauerhaftigkeit und insbesondere der FTSW erheblich verbessert /22, 23/.
- Eine Nachbehandlung von Portlandzementbetonen über 7 Tage hinaus ist im allgemeinen nicht notwendig (verbessert die Dauerhaftigkeit nur geringfügig) /18/.
- Die „feuchte“ Nachbehandlung (moisture curing) ist der Anwendung von Nachbehandlungsmitteln vorzuziehen /16/.
- Eine höhere Dichtigkeit verlangsamt in der Regel den Carbonatisierungsfortschritt.

2.5 Zum Einfluß von Flugaschen und Metakaolin auf die

Carbonatisierung und den FTSW von Beton

Der Einsatz von Flugaschen als Betonzusatzstoff oder Zumahlstoff zum Zement kann sich je nach Anwendungsfall, Prüfkriterium oder Exposition günstig oder ungünstig auf die Dauerhaftigkeit auswirken. Ursachen dafür sind gegenläufige Effekte im Beton, die durch die Füllerwirkung und den Ablauf der puzzolanischen Reaktion bedingt sind und damit auch auf andere Puzzolane übertragbar erscheinen: (+ günstig; ungünstig für die Dauerhaftigkeit)

- Die geringe Geschwindigkeit der puzzolanischen Reaktion, ( )
- Der Calciumhydroxidverbrauch, ( )
- Die Veränderung der Porenstruktur (Senkung /1/ oder

Erhöhung /24/ der Gesamtporosität, Verringerung der Kapillarporosität /1, 24/), (+) - Unterbrechung der Transportvorgänge durch „pore-blocking-effect“ /24/. (+)

Am häufigsten wird in der Literatur der Einfluß von Flugaschen auf die Carbonatisierung beschrieben. Bezüglich der Dauerhaftigkeit wird sowohl von positiven als auch von negativen Auswirkungen des Flugaschezusatzes berichtet (u.a. /1, 3, 25, 11, 19/). Die negativen Effekte beruhen auf dem geringeren Angebot an Portlandit, da dieser bei der puzzolanischen Reaktion verbraucht wird. Da Flugaschen in der Regel dazu verwendet werden, einen Teil des Zementes zu substituieren, steht außerdem von Beginn an weniger Ca(OH)2 im Beton zur Verfügung als im herkömmlichen PZ-Beton. Steht weniger Portlandit zur Verfügung, kann die Carbonatisierungsfront damit schneller in den Beton vordringen. Die Erhöhung der Carbonatisierungsgeschwindigkeit mit steigendem Flugaschegehalt im Beton wurde in zahlreichen Untersuchungen bestätigt /18, 12, 8, 20/.

Der Einfluß der Zementsubstitution durch Flugasche auf die Porosität wurde von /24/ untersucht. Die hier verwendete Steinkohlenflugasche (SFA) bewirkte mit zunehmendem Substitutionsgrad einen Anstieg der Gesamtporosität. Dieser Anstieg erfolgt aber zu einem großen Teil im Gelporenbereich. Der Anteil der für Transportvorgänge (kapillares Saugen, Diffusion) im Beton verantwortlichen Kapillarporen verringerte sich. /24/ Ein weiterer Unterschied in der Porenstruktur flugaschehaltiger zu flugaschefreien Betonen wird durch den „pore-blocking-effect“ hervorgerufen. Der Effekt ist zwar über die vorhandenen Porenanteile kaum zu erfassen, für die Dichtigkeit des Betons jedoch entscheidend. Die bei der puzzolanischen Reaktion entstehenden Reaktionsprodukte setzen sich im Bereich der Poreneingänge beziehungsweise in Porenkanälen ab und erschweren somit das Eindringen von Flüssigkeiten in den dahinterliegenden Porenraum. Der „poreblocking-effect“ spiegelt sich nach /24/ in dem mittels Quecksilberhochdruckporosimetrie ermittelten Grenzradius wider. Trotz einer höheren Gesamtporosität trat also eine Gefügeverdichtung durch den Flugascheeinsatz auf. Der Widerstand des Betons gegen das Eindringen von Sulfaten, Chloriden und wassergefährdenden Flüssigkeiten wurde durch den Einsatz von SFA als Zusatzstoff verbessert. /24/

Der Frost-Tausalz-Widerstand flugaschehaltiger Betone ist in der Regel geringer einzuschätzen als der vergleichbarer flugaschefreier Referenzbetone. Die schlechten Ergebnisse der in /11/ beschriebenen FTSW-Prüfungen hatten im wesentlichen folgende Ursachen:

(1) Die 100-prozentige Anrechnung der Flugasche auf den w/(z+k*f)-Wert (also k = 1) und die daraus resultierende deutliche Erhöhung des effektiven Wasserzementwertes bzw. zu hohe Substitutionsgrade. /11/

(2) Die Prüfung des FTSW fand bereits ab dem 28. Tag nach der Betonherstellung statt, also zu einem Zeitpunkt, zu dem die puzzolanische Reaktion der FA noch nicht soweit fortgeschritten ist. Daher können Laborversuche allein keine allgemeingültigen Aussagen über den FTSW liefern. /11/

Bei Substitutionsgraden von 20 bis 30 Prozent (und damit eines noch relativ hohen Zementgehaltes) kann aber, im Vergleich zum Referenzbeton, ein guter FTSW erzielt werden /11/. Weiterhin konnte nachgewiesen werden, daß auch bei der teilweisen Anrechnung der SFA auf den Wasserzementwert (k = 0,4; f/z 0,25; DAfStb-Richtlinie zur Verwendung von Flugaschen nach DIN EN 450 im Betonbau 1996) ein Beton mit hohem FTSW hergestellt werden kann, obwohl die Anrechnung bislang für diesen Einsatzbereich nicht gestattet ist. Hierzu wurden kontinuierlich bis zu einem Alter von 5 Jahren Frost-Tausalz-Prüfungen und Porengefügeuntersuchungen an Betonbohrkernen (aus dem Referenz- und FA-Beton) durchgeführt. Beide Betone, der Referenzbeton (w/z = 0,43; z = 330 kg/m³) und der FA-Beton (w/(z+0,4*f)=0,47; z+f = 270+90 kg/m³) konnten im Hinblick auf den FTSW als gleichwertig eingestuft werden /11/. Hierbei ist zu beachten, daß der Zement in den von /11/ durchgeführten Untersuchungen sozusagen zu 150 Prozent durch FA substituiert wurde.

Beispiele aus der Praxis zeigen außerdem, daß Betonbauwerke schon seit Jahrzehnten dauerhaft auch gegenüber Frost- und Tausalzeinwirkungen sind, trotz teilweise sehr hoher Zementsubstitutionsgrade durch SFA, was die Aussage (2) bekräftigen sollte /8/.

Der Betonzusatzstoff Metakaolin zählt zwar ebenfalls zu den Puzzolanen, unterscheidet sich aber in vieler Hinsicht von Stein- und Braunkohlenflugaschen. Es handelt sich hierbei um einen hochpuzzolanischen Stoff mit einer spezifischen Oberfläche im Bereich von Silicastaub. Die Hauptbestandteile von Metakaolin sind laut Elektronenstrahlmikroanalyse (ESMA) SiO2 und Al2O3 (Tabelle 6). Charakteristisch für dieses Material ist seine hellrosa Färbung, die durch die alumosilikatischen Bestandteile und den Eisenoxidanteil bedingt ist. Die Färbung überträgt sich beim Einsatz als Zusatzstoff je nach Substitutionsmenge auf den Beton. Im Rahmen eines kanadischen Forschungsprogramms wurde dieses Material 1995 bezüglich seiner Effekte auf die Frisch- und Festbetoneigenschaften untersucht. Zhang und Malhotra /26/ gelangen dabei zu der Auffassung, daß Metakaolin aufgrund seiner positiven Auswirkungen auf die Betondauerhaftigkeit ein exzellentes Potential als Zusatzstoff im Bereich des High Performance Concrete (HPC) aufweist. In Tabelle 2 sind die wichtigsten Erkenntnisse dieser Untersuchungen zusammengefaßt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2: Effekte des Einsatzes von Metakaolin als Betonzusatzstoff /26/

Die Puzzolanische Reaktion scheint nach /26/ bedingt durch die große spezifische Oberfläche sehr früh einzusetzen. In den ersten 7 Tagen wurde ein relativ großer Festigkeitszuwachs beobachtet. Die Festigkeitsentwicklung bis zum 28. Tag verlief dagegen langsamer. Ergebnisse von /27/ bestätigen dies.

Ähnliche Effekte des Metakaolineinsatzes als Zusatzstoff für HPC werden in /28/ beschrieben. Die untersuchten Betone wiesen eine geringe Permeabilität gegenüber Wasser und Salzlösungen und einen hohen Widerstand gegenüber aggressiven Medien auf. Die Festigkeitsentwicklung wurde durch den Metakaolineinsatz verglichen mit einem Referenzbeton ohne Zusatzmittel nicht negativ beeinflußt. Carbonatisierung und FTSW der Betone wurden hier leider nicht untersucht. /28/

3 Versuchsprogramm und Voruntersuchungen

3.1 Versuchsprogramm

In der vorliegenden Diplomarbeit sollen Zusammenhänge zwischen der Carbonatisierung und dem FTSW von Beton mit mineralischen Zusatzstoffen experimentell untersucht werden. Dabei ist der Einfluß wichtiger Parameter der Mischungszusammensetzung und der Lagerungsbedingungen auf die Carbonatisierung und den FTSW zu beachten. Bei einer gegebenen Straßenbetonmischung wurde ein Teil des Portlandzementes durch ver- schiedene Betonzusatzstoffe (SFA, BFA, Metakaolin) ersetzt. Die Zementsubstitution erfolgte massemäßig nach den Richtlinien des DAfStb „Verwendung von Flugasche nach DIN EN 450 im Betonbau“. Die Zementsubstitutionen durch Flugaschen wurden jeweils mit 20 oder 25 Prozent der entsprechenden FA durchgeführt. Die Substitutionsmengen beim Einsatz von Metakaolin betrugen 10, 15 und 20 Prozent. Durch die Variation der Substitutionsmengen in den genannten Bereichen konnten Unterschiede im Carbonatisierungsverhalten und im FTSW bei verschiedenen Substitutionsmengen durch Zusatzstoffe untersucht werden. Gleichzeitig soll der Bereich der für den FTSW optimalen Substitutionsmenge eingegrenzt werden. Als Pendant zu einer 20-prozentigen Zementsubstitution durch SFA wurde außerdem bei zwei Mischungen ein nordeuropäischer Flugaschezement (CEM II / A-V) eingesetzt. Die Bezeichnungen der einzelnen Mischungen und deren Zusammensetzung hinsichtlich Zement, Zusatzstoffen, Zusatzmitteln usw. sind in Tabelle 4 aufgeführt.

Die eingesetzten Zemente und Betonzusatzstoffe wurden durch die Ermittlung folgender stofflicher Kennwerte in Voruntersuchungen charakterisiert:

- Dichte
- Spezifische Oberfläche
- Korngrößenverteilung
- Chemische Zusammensetzung - Morphologie (nur Zusatzstoffe)
An allen hergestellten Betonmischungen wurden folgende Frischbetonkennwerte (laut Eignungsprüfung für BII-Betone) ermittelt:
- Verdichtungsmaß (Konsistenz) - Luftgehalt
- Frischbetonrohdichte

Der Luftgehalt des Betons wurde durch den Einsatz eines Luftporenbildners auf die für einen Beton mit hohem FTSW erforderlichen Werte eingestellt. Zur Erzielung einer einheitlichen Konsistenz (für Straßenbeton: KS; Verdichtungsmaß v = 1,29... 1,35) wurde, wenn erforder- lich, ein Fließmittel zugegeben. Bei einigen Mischungen mit relativ hohen Substitutionsgraden beziehungsweise Zusatzstoffen mit höherem Wasseranspruch wurde zusätzlich der Betonzusatzstoff teilweise oder ganz auf den Wasserzementwert angerechnet. Wie sich die damit verbundene Erhöhung des Wasserzementwertes auf die Carbonatisierung und den FTSW des Betons auswirkte, sollten Untersuchungen am Festbeton zeigen.

Von allen Betonmischungen wurden Würfel mit 15 cm Kantenlänge hergestellt (im Falle des CEM II-Betons auch Würfel mit 10 cm Kantenlänge). Die Würfel wurden zur Ermittlung folgender Festbetonkennwerte verwendet:

- Festbeton- und Trockenrohdichte (nach 28 Tagen)
- Druckfestigkeit (nach 28, bei CEM II-Betonen außerdem nach 56 Tagen)
- Porosität sowie Porengrößenverteilung (nach 28 Tagen; im Inneren und an der Oberfläche des Betons)
- Luftporenkennwerte (an Dünnschliffen: L300-Gehalt und Abstandsfaktor AF) - Carbonatisierungstiefen (indikativ sowie an Dünnschliffen)
- Frost-Tausalz-Widerstand mittels CDF-Verfahren (nach 28, zum Teil auch nach
56 Tagen)

Die Untersuchung des Carbonatisierungseinflusses auf das Betongefüge und das Verhalten des Betons im CDF-Test erfordert adäquate Carbonatisierungstiefen, die aber nach 28 Tagen noch nicht erreicht werden. Daher wurden bei einem Teil der hergestellten Betonmischungen einige Probekörper einer dreiwöchigen Lagerung in 3-prozentiger CO2-Atmosphäre unterzogen, um die Carbonatisierung zu beschleunigen.

Die Anfangsabwitterungen einiger interessanter Betone wurden nach dem CDF-Test mittels Röntgendiffraktometrie (XRD) auf ihren Phasenbestand untersucht.

Weiterhin wurde die beim Einsatz des jeweiligen Zusatzstoffes im Zementstein vorhandene Portlanditmenge ebenfalls phasenanalytisch (XRD) an eigens dafür hergestellten Zementsteinproben bestimmt.

3.2 Übersicht zum Versuchsprogramm

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 3: Zusammenstellung der Versuche und maßgebenden Vorschriften

[...]