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Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen Brücken- und Ingenieurbau Heft B 70 Frost-Tausalz-Widerstand von Beton in Brücken und Ingenieurbauwerken an Bundesfernstraßen

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Berichte derBundesanstalt für Straßenwesen

Brücken- und Ingenieurbau Heft B 70

ISSN 0943-9293ISBN 978-3-86509-957-0

Frost-Tausalz-Widerstandvon Beton in Brücken

und Ingenieurbauwerkenan Bundesfernstraßen

Berichte derBundesanstalt für Straßenwesen

Frost-Tausalz-Widerstandvon Beton in Brücken

und Ingenieurbauwerkenan Bundesfernstraßen

Brücken- und Ingenieurbau Heft B 70

von

Franka Tauscher

Beanspruchung, Beurteilungund Betonqualität

Umschlag B 70 14.01.1906, 17:39 Uhr2

Die Bundesanstalt für Straßenwesenveröffentlicht ihre Arbeits- und Forschungs-ergebnisse in der Schriftenreihe Berichte derBundesanstalt für Straßenwesen. Die Reihebesteht aus folgenden Unterreihen:

A -AllgemeinesB -Brücken- und IngenieurbauF -FahrzeugtechnikM-Mensch und SicherheitS -StraßenbauV -Verkehrstechnik

Es wird darauf hingewiesen, dass die unterdem Namen der Verfasser veröffentlichtenBerichte nicht in jedem Fall die Ansicht desHerausgebers wiedergeben.

Nachdruck und photomechanische Wieder-gabe, auch auszugsweise, nur mit Genehmi-gung der Bundesanstalt für Straßenwesen,Stabsstelle Presse und Öffentlichkeitsarbeit.

Die Hefte der Schriftenreihe Berichte derBundesanstalt für Straßenwesen könnendirekt beim Wirtschaftsverlag NW,Verlag für neue Wissenschaft GmbH,Bgm.-Smidt-Str. 74-76,D-27568 Bremerhaven,Telefon: (04 71) 9 45 44 - 0, bezogen werden.

Über die Forschungsergebnisse und ihreVeröffentlichungen wird in Kurzform imInformationsdienst BASt-Info berichtet.Dieser Dienst wird kostenlos abgegeben;Interessenten wenden sich bitte an dieBundesanstalt für Straßenwesen,Stabsstelle Presse und Öffentlichkeitsarbeit.

Impressum

Bericht zum Forschungsprojekt F1100.2101002 desArbeitsprogramms der Bundesanstalt für Straßenwesen:Dauerhaftigkeit von Beton in Ingenieurbauwerken an Bundesfernstraßen– Beanspruchung, Beurteilung und BetonqualitätTeil 1: Frost- und Tausalz

HerausgeberBundesanstalt für StraßenwesenBrüderstraße 53, D-51427 Bergisch GladbachTelefon: (0 22 04) 43 - 0Telefax: (0 22 04) 43 - 674

RedaktionStabsstelle Presse und Öffentlichkeitsarbeit

Druck und VerlagWirtschaftsverlag NWVerlag für neue Wissenschaft GmbHPostfach 10 11 10, D-27511 BremerhavenTelefon: (04 71) 9 45 44 - 0Telefax: (04 71) 9 45 44 77Email: [email protected]: www.nw-verlag.de

ISSN 0943-9293ISBN 978-3-86509-957-0

Bergisch Gladbach, September 2009

Kurzfassung – Abstract

Frost-Tausalz-Widerstand von Beton in Brückenund Ingenieurbauwerken an Bundesfernstraßen

Der Frost- und Tausalzwiderstand ist für die Dauer-haftigkeit von Betonbauwerken an Bundesfern-straßen von hoher Bedeutung. Die neuen Normen,zusammengefasst im DIN-Fachbericht 100, unter-scheiden zwei Beanspruchungskollektive: Frost-und Tausalzeinwirkung bei hoher Wassersättigung,bezeichnet als Expositionsklasse XF4, und Frost-und Tausalzeinwirkung bei mäßiger Wassersätti-gung, bezeichnet als Expositionsklasse XF2. Unbe-kannt war bisher, welche Wassersättigung mäßigevon hoher unterscheidet und welche Auswirkungeneine Frost-Tausalz-Beanspruchung im Beton desBauwerks hat. Auch fehlte ein Prüfverfahren für dieExpositionsklasse XF2. Das Prüfverfahren solltedem Performance Concept gerecht werden, alsodie Ermittlung der Leistungsfähigkeit des Betonsohne genaue Kenntnis seiner Zusammensetzungermöglichen.

Die in ZTV-ING 3-1 getroffene Zuordnung der Bau-teile zu den Expositionsklassen XF2 bzw. XF4 istdurch die Messungen im Bauwerksbeton bestätigtworden. Im Beton der Bauteile mit nicht vorwiegendhorizontaler Oberfläche (XF2), wie z. B. Widerlager,Pfeiler und Tunnelwänden, werden im Vergleich zurWassersättigung unter Atmosphärendruck eindeu-tig niedrigere Sättigungsgrade beobachtet als imLuftporenbeton der Brückenkappe (XF4), obwohlkein wirksames Luftporensystem eingeführt wur-den. Nur in seltenen Fällen und nur in der äußers-ten Randzone des Bauwerkbetons mit nicht vorwie-gend horizontaler Oberfläche (XF2) wird eine Sätti-gung beobachtet, die der Sättigung unter Atmos-phärendruck entspricht oder diese überschreitet.Die Eignung von Beton ohne Luftporen in der Ex-positionsklasse XF2 für Verkehrsbauwerke wird be-stätigt. Betone ohne Luftporen sind unter Beach-tung von ZTV-ING 3-1 in XF2 die wirtschaftlichereLösung.

In Tunnelbauwerken können noch über 100 m hin-ter dem Tunnelportal Frost-Tauwechsel im Betonmit derselben Häufigkeit auftreten wie im Portalbe-reich selbst. Die Forderung der ExpositionsklasseXF2 nach ZTV-ING 3-1 für Beton in Portalbereichenvon Tunneln wie auch in dem Bereich dazwischenerscheint angemessen.

Das neu entwickelte Prüfverfahren für Beton in derExpositionsklasse XF2, das modifizierte CDF-Ver-fahren XF2, ist ein Prüfverfahren nach dem Prinzipder Leistungsfähigkeit. Es erfasst den physikali-schen Versagensmechanismus unter Frost-Tau-salz-Beanspruchung im Beton und es bildet diereale Beanspruchung von Beton im Bauwerk ab.Die Prüfung wird im Labor durchgeführt, weshalbdas modifizierte CDF-Verfahren XF2 als Prüfver-fahren nach dem Lab-Performance-Concept be-zeichnet wird. Ob und inwieweit der mögliche che-mische Schädigungsmechanismus einer Frost-Tau-salz-Beanspruchung mit diesem Verfahren erfasstwerden kann, ist noch nicht geklärt.

Sobald die Reproduzierbarkeit der Versuche durchdas neue externe Projekt (Fe 15.460/2008/DRB)bestätigt wird und die Abnahmekriterien angemes-sen festgelegt werden können, erscheint es mög-lich, die Prüfung von Beton für XF2 mit dem modifi-zierten CDF-Verfahren XF2 in den ZTV-ING 3-1 zurÜberprüfung von solchen Betonzusammensetzun-gen einzuführen, die mit noch nicht in der Praxisbewährten Ausgangstoffen hergestellt werden. DerNachweis der Grundanforderungen von ZTV-ING3-1 und DIN-Fachbericht 100 an die Betonaus-gangsstoffe wird jedoch weiterhin erforderlich blei-ben.

Über das ursprüngliche Ziel hinaus konnte gezeigtwerden, dass Frost-Tausalzschäden auch im Betonder Expositionsklasse XF2 auftreten können, wenndie Porosität der Betonzusammensetzung, hier ab-gebildet durch den w/z-Wert, nicht ZTV-ING 3-1 ent-spricht. In solchen Fällen bildet sich in der oberstenRandzone des Betons ein starker Feuchtegradientaus und nur dort tritt eine Schädigung auf.

Auch wurde gezeigt, dass Überschreitungen deskritischen Sättigungsgrades im Bauwerksbeton inder Expositionsklasse XF2 wesentlich seltener auf-treten als in der Expositionsklasse XF4, wenn einvergleichbarer Beton ohne Luftporen betrachtetwird. Man muss davon ausgehen, dass bei mäßigerWassersättigung XF2 die Austrocknungsphasenausgeprägter sind als bei hoher WassersättigungXF4 und dass daher die Schädigungsphase, alsoder Zeitraum, in dem gleichzeitig eine hohe Was-sersättigung vorliegt und Frost-Tau-Wechsel auftre-ten, seltener ist. Dieser Zeitfaktor bewirkt, dass einBeton, der unter XF4-Beanspruchung nach kurzer

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Dauer erheblich geschädigt würde unter XF2-Bean-spruchung eine erheblich verlängerte Lebensdauerhat.

Resistance of concrete to freezing and de-icingsalts for bridges and civil engineeringstructures on federal roads

Frost and de-icing-salt resistance is of highimportance for the durability of concrete structureson federal highways. The new standards, which aresummarised in the technical DIN report 100,discriminate between two stress groups: frost andde-icing-salt effects at high water saturation aredescribed as exposure class XF4, and frost and de-icing salt exposure at moderate water saturationare labelled as exposure class XF2. However, itwas not defined what constitutes the differencebetween moderate and high water saturation andwhat effects frost and de-icing salt stress have onthe concrete of building structures. There was alsono test method for exposure class XF2. The testmethod should comply with the performanceconcept, i.e. it should make it possible to determinethe capability of the concrete without a detailedknowledge of its composition.

The allocation of the components to exposureclasses XF2 and XF4 in ZTV-ING 3-1 was validatedby measurements taken in the concrete ofconstructions. The concrete components that donot primarily have horizontal surfaces (XF2), suchas abutments, pillars and tunnel walls, clearly showlower saturation levels when compared to fullsaturation under atmospheric pressure than theporous concrete of the bridge cap (XF4), althoughno effective air pore system had been introduced.Saturation that equals or exceeds saturation underatmospheric pressure is only observed on rareoccasions and only in the most outward edge zoneof concrete constructions that do not primarily havehorizontal surfaces (XF2). The suitability ofconcrete without air pores for exposure class XF2of traffic constructions was confirmed. Concretetypes without air pores provide a more economicsolution when ZTV-ING 3-1 is taken into account.

Freeze-thaw cycles in tunnel constructions can beas frequent in the concrete up to 100m behind thetunnel portal as they are directly at the tunnel portal.The requirements of exposure class ZF2 accordingto ZTV-ING 3-1 for concrete in the portal area of

tunnels as well as in the area between them appearto be appropriate.

The newly developed test method for concrete ofexposure class XF2, the modified CDF methodXF2, is a test method according to the performanceconcept. It registers the physical failure mechanismdue to frost and de-icing-salt stress in concrete andmodels the real stress of the concrete in theconstruction. The test is performed in a laboratory.The modified CDF method XF2 is therefore alsocalled a test method according to the labperformance concept. It has not yet beenestablished whether and to what extent this methodexplains the possible chemical damage mechanismof frost and de-icing-salt stress.

It seems possible to use the modified CDF methodXF2 in ZTV-ING 3-1 for investigating concretecompositions that have not yet been produced byusing raw materials tested in practice, once thereproducibility of the tests has been confirmed bythe new external project (FE 15.460/2008/DRB)and appropriate acceptance criteria have beenstipulated. However, proof that the raw materials forthe concrete comply with the basic requirements inZTV-ING 3-1 and the technical DIN report 100 willstill be required.

In addition to the original objectives, it could beshown that frost and de-icing-salt damage can alsohappen in concrete of exposure class XF2 whenthe porosity of the concrete composition, hererepresented by the w/z value, does not comply withZTV-ING 3.1. In such cases, a strong humiditygradient is formed in the topmost edge zone of theconcrete and the damage only occurs in this area.

It was also shown that the critical saturation level inthe concrete of constructions is much less oftenexceeded in exposure class XF2 than in exposureclass XF4 when comparable concrete without airpores is considered. It must be assumed that thedrying phases are more pronounced duringmoderate water saturation in XF2 than during highwater saturation in XF4, and that the damagephase, i.e. the period when high water saturationoccurs at the same time as freeze/thaw cycles, ismore rare. This time factor ensures that concretethat would show severe damage under XF4conditions has a much longer life span under XF2conditions.

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Inhalt

1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.2 Problemstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.3 Zielsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.4 Durchführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2 Grundsätzliches zum Frost-Tausalz-Widerstand von Beton in Verkehrsbauwerken . . . . . . . . . . . . 9

2.1 Definition der Frost-Tausalz-Bean-spruchung in den Regelwerken . . . . . . 9

2.2 Schädigungsmechanismus . . . . . . . . . . 9

2.3 Schädigung des Betons und Schadensentwicklung . . . . . . . . . . . . . 11

2.4 Abgrenzung mäßige Wassersätti-gung des Betons von hoher Wassersättigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3 Sachstand zur Beanspruchung von Beton in Verkehrsbauwerken vor Projektbeginn . . . . . . . . . . . . . . . . 15

3.1 Einwirkungen auf Betonbauwerke an Bundesfernstraßen . . . . . . . . . . . . . 15

3.2 Zuordnung der Bauteile zu den Expositionsklassen XF2 und XF4 . . . . . 16

4 Untersuchungen im Rahmen des Projekts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

5 Ergebnisse zur Frost-Tausalz-Beanspruchung von Beton in Verkehrsbauwerken . . . . . . . . . . . . . . 19

5.1 Witterung und Verkehr . . . . . . . . . . . . . 19

5.1.1 Witterung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

5.1.2 Tausalz aus Verkehr . . . . . . . . . . . . . . . 20

5.2 Temperatur und Sättigungsgrad in Bauwerksbeton in XF2 . . . . . . . . . . . 20

5.3 Temperatur und Sättigungsgrad in Bauwerksbeton in XF4 . . . . . . . . . . . 24

5.4 Unterschiede der Beanspruchung bei hoher (XF4) und bei mäßiger (XF2) Wassersättigung . . . . . . . . . . . . . 25

6 Prüfverfahren für den Frost-Tau-salz-Widerstand von Beton . . . . . . . . 26

6.1 Prüfverfahren für Beton in XF4 . . . . . . . 26

6.2 Prüfverfahren für Beton in XF2 . . . . . . . 27

7 Bewertung von Beton mit den Prüfverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

7.1 Beton in der Expositionsklasse XF4 . . . 29

7.2 Beton in der Expositionsklasse XF2 . . . 30

7.3 Schadensbild von Beton in XF2 . . . . . . 31

8 Offene Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

9 Zusammenfassung und Schlussfolgerung . . . . . . . . . . . . . . . . 32

10 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

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1 Einleitung

1.1 Allgemeines

Der Frost- und Tausalzwiderstand ist für die Dauer-haftigkeit von Bauwerken an Bundesfernstraßenvon hoher Bedeutung. Alle Bauwerke an Bundes-fernstraßen sind als Außenbauteile der Witterungund als Bauteile am Rande stark befahrenerStraßen zusätzlich Spritzwasser, Sprühnebel undsaisonal auch Tausalzen ausgesetzt. Die Frost-Tau-salz-Beanspruchung des Betons resultiert aus derWassersättigung, aus der jahreszeitlich bedingtenTausalzbeanspruchung und aus der Temperatur-wechselbeanspruchung mit Temperaturen oberhalbund unterhalb des Gefrierpunktes. Gegenüber an-deren Außenbauteilen folgt die Wassersättigungdes Betons im Bauwerk nicht nur aus Luftfeuchteund Niederschlag, sondern zusätzlich aus Spritz-wasser und Sprühnebel, die durch den Straßenver-kehr aufgewirbelt werden und die saisonal auchtausalzhaltig sind. Schmelzwasser aus tausalzhalti-gem Schnee und Eis am Fahrbahnrand oder aufBrückenkappen wirkt ebenfalls auf den Bauwerks-beton ein.

Durch Öffnung des europäischen Marktes und dierasche technische Weiterentwicklung bei Baustof-fen und Bauverfahren werden in Deutschland mehrund mehr Betonausgangsstoffe verwendet, mitdenen es keine Langzeiterfahrung im konstruktivenIngenieurbau an Bundesfernstraßen gibt. Die Ent-wicklung der Betonnormen DIN EN 206-1 [1] undDIN 1045-2 [2] zeigt, dass die Dauerhaftigkeitsei-genschaften von Beton nicht mehr indirekt über Re-zepturen, sondern über prüfbare Zusammenhängebeschrieben werden sollen (Performance Conceptoder Konzept der Leistungsfähigkeit). Der Baustoff-widerstand soll den Einwirkungen der Umgebungauf das Bauwerk angepasst werden. Für die Ent-wicklung von entsprechenden Prüfverfahren müs-sen neben den maßgebenden Versagensmecha-nismen im Beton auch die tatsächlichen Belastun-gen des Betons durch Umwelteinflüsse bekanntsein.

1.2 Problemstellung

Die Betonnormen, DIN EN 206-1 und DIN 1045-2,zusammengefasst in DIN-Fachbericht 100 [3], be-schreiben die Umwelteinwirkungen durch Frost undTausalz aus Straßenverkehr mit den Expositions-klassen XF2 und XF4. Mit den Expositionsklassen

werden zwei Beanspruchungskollektive unterschie-den: Frost- und Tausalzeinwirkung bei hoher Was-sersättigung, bezeichnet als ExpositionsklasseXF4, und Frost- und Tausalzeinwirkung bei mäßigerWassersättigung, bezeichnet als ExpositionsklasseXF2. Die Definition einer mäßigen oder hohen Was-sersättigung ergibt sich aus der Langzeiterfahrungmit unterschiedlich exponierten Bauteilen, z. B.Brückenkappe oder Widerlager. Dabei zählt dieBrückenkappe mit ihrer nahezu horizontalen Beton-oberfläche zu XF4, ein Bauteil, dass, mit Luftporen-beton hergestellt werden muss, um den Sätti-gungsgrad des Betons im gesamten Bauteilquer-schnitt unterhalb des für Frost-Tausalz-Schädenkritischen Wertes zu halten. Das Widerlager mit sei-ner nicht vorwiegend horizontalen Betonoberflächezählt zu XF2, ein Bauteil, das nicht mit Luftporen-beton hergestellt werden muss. Am Fuß des Wider-lagers wird das Spritzwasser durch konstruktiveMaßnahmen abgeleitet.

Welcher Sättigungsgrad allerdings eine hohe (XF4)von einer mäßigen (XF2) Wassersättigung unter-scheidet und welche Werte sich in der Praxis unterdem Einfluss von Chloriden aus Tausalz im Bau-werksbeton tatsächlich einstellen, ist ebenso wenigbekannt wie die bei Frost im Bauwerksbeton auftre-tenden Temperaturen.

Diese Zuordnung der Bauteile zu den Expositions-klassen nach EN 206-1 [1] erfolgte im Jahr2000/2001 mit ZTV-ING 3-1 [4]. Zu der Zeit lagenkeine Erfahrungen mit den neuen Normen EN 206-1 und DIN 1045-2 vor, sodass die Zuordnung zuden Expositionsklassen XF2 und XF4 auch überden Vergleich der bewährten Betonzusammenset-zungen nach DIN 1045:88-07 und ZTV-K 96 mitden Betonzusammensetzungen nach den neuenNormen erfolgte.

Für die Beanspruchung Expositionsklasse XF4 gibtes Prüfverfahren, z. B. das CDF-Verfahren, um denWiderstand an Betonprüfkörpern zu messen. Fürdie Expositionsklasse XF2 gibt es noch kein ent-sprechendes Prüfverfahren. Das bisher üblicheVorgehen, den Frost- und Tausalzwiderstand vonBeton durch deskriptive Anforderungen an dieGrenzwerte der Betonzusammensetzung sicherzu-stellen, ist in der heutigen Zeit nur noch schwerdurchsetzbar, denn vor Aufnahme neuer Stoffe intechnische Regelwerke für den Brücken- und Inge-nieurbau müssen baupraktische Langzeiterfahrun-gen mit den Betonausgangstoffen vorliegen. DieEntwicklung neuer Baustoffe, insbesondere bei Ze-

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ment und Betonzusatzmitteln, schreitet so schnellvoran, dass eine solche Langzeiterfahrung, die miteiner eingeschränkten Verwendung der Stoffe ein-hergeht, nur sehr schwer gesammelt werden kann.

1.3 Zielsetzung

Das Ziel des AP-Projektes ist, ein Prüfverfahren zurBeurteilung des Frost- und Tausalzwiderstands inder Expositionsklasse XF2 zu entwickeln und die2000/2001 in ZTV-ING 3-1 [4] getroffene Zuord-nung der Bauteile zu den Expositionsklassen XF2und XF4 wissenschaftlich abzusichern.

Das zu entwickelnde Prüfverfahren soll die Beurtei-lung eines Betons nach seiner Leistungsfähigkeiterlauben (Prüfverfahren nach dem PerformanceConcept).

Das Prüfverfahren soll die physikalischen und ggf.chemischen Versagensmechanismen im Beton beiFrost-Tausalz-Beanspruchung möglichst genau er-fassen und die Beanspruchung des Betons im Bau-werk so abbilden, dass alle relevanten Umweltein-wirkungen aus Klima und Nutzung durch Straßen-verkehr in der Expositionsklasse XF2 abgedecktwerden. Dabei soll das Prüfverfahren die bekann-ten Einflüsse der Betonzusammensetzung auf denFrost-Tausalz-Widerstand widerspiegeln, zu repro-duzierbaren Ergebnissen führen und mit ausrei-chender Genauigkeit geeigneten und nicht geeig-neten Beton unterscheiden können.

Voraussetzung für die Entwicklung des Prüfverfah-rens ist die realitätsnahe Erfassung der schädi-gungsrelevanten Betonbeanspruchung währendder Frost-Tau-Wechsel im Bauwerksbeton.

Die Bewertung der mit dem zu entwickelnden Prüf-verfahren erzielten Ergebnisse, d. h. Abnahmekrite-rien für den Beton in der Prüfung, soll über dieLangzeiterfahrung mit Betonen bewährter Zusam-mensetzung für die Beanspruchung Expositions-klasse XF2 erfolgen. Es sollen keine unrealisti-schen Anforderungen an den Beton in der Prüfunggestellt werden, aber die Beurteilung soll in jedemFall auf der sicheren Seite liegen.

1.4 Durchführung

Die Klärung der offenen Fragen erfolgte mit Hilfeexterner Forschungsprojekte, die vom BMVBS (FE15.324/2000/FR) bzw. von der BASt (FE 89.0169/2005/AP) vergeben wurden.

Die realitätsnahe Erfassung der Frost-Tauwechsel-Beanspruchung im Beton von Verkehrsbauwerkenin der Expositionsklasse XF2 wurde im Rahmendes externen Forschungsprojekts FE 15.324/2000/FR „Europäische Bemessungsvorschriften für denBrückenbau – Beanspruchung von Betonbauwer-ken“ [5] ermittelt. Alle Messungen erfolgten im Bau-werksbeton von Bauwerken, die unter Verkehr ste-hen. Als Beispiele für Bauteile in der Expositions-klasse XF2 wurden Mittelpfeiler und Überbau vonBrücken sowie Tunnelwände ausgewählt. Mit die-sen ausgewählten Bauteilen wurde die unter-schiedliche Intensität der Frost-Tausalz-Beanspru-chung in Hinblick auf Wassersättigung und Chlorid-beaufschlagung durch Straßenverkehr abgebildet.Mittelpfeiler und Tunnelwand werden sowohl durchSpritzwasser als auch durch Sprühnebel und derBrückenüberbau wird ausschließlich mit Sprühne-bel beaufschlagt.

Diese Messungen wurden durch das externe For-schungsprojekt FE 89.0169/2005/AP „Tiefenabhän-gige Feuchte- und Temperaturmessung an einerBrückenkappe der Expositionsklasse XF4“ [6] er-gänzt. Mit den Messungen in einer Brückenkappesollte vor allem der Unterschied der schädigungs-relevanten Frost-Tausalz-Beanspruchung zwischender Expositionsklasse XF2 und der Expositions-klasse XF4, d. h. der Unterschied zwischen mäßi-ger Wassersättigung und hoher Wassersättigung,dargestellt werden. Die Ergebnisse der beiden Pro-jekte sind direkt miteinander vergleichbar, da die-selben Messverfahren eingesetzt und beide Projek-te vom selben Forschungsnehmer bearbeitet wur-den.

Die Entwicklung eines Prüfverfahrens zur Überprü-fung des Frost-Tausalz-Widerstands von Beton fürdie Expositionsklasse XF2 erfolgte mit dem exter-nen Forschungsprojekt FE 15.367/2002/DRB „Prüf-verfahren nach dem Performance Concept – Betonin der Expositionsklasse XF2“ [7]. Im Rahmen die-ses Projektes wurden auch Betonprüfkörper im Mit-telstreifen einer Autobahn und einer 4-spurigenBundesstraße der Witterung so ausgesetzt, dassentweder die horizontale Fläche (XF4-Bedingun-gen) oder die vertikale Fläche (XF2-Bedingungen)mit Niederschlag und tausalzhaltigem Sprühnebelaus dem Straßenverkehr beaufschlagt waren. DieBetonprüfkörper wurden vor der Auslagerung mitdem neu entwickelten Prüfverfahren XF2 geprüft.Zusammen mit den Untersuchungen zur Schädi-gung der Prüfkörper während der Auslagerung wares dann möglich, Abnahmekriterien der neuen Prü-

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fung für Beton vorzuschlagen, der für Verkehrsbau-werke in XF2 geeignet ist.

Die Ergebnisse der externen Projekte werden imvorliegenden Bericht zusammengefasst und bewer-tet. Anschließend werden die sich ergebendenSchlussfolgerungen für die Festlegungen in denZTV-ING 3-1 gezogen.

2 Grundsätzliches zum Frost-Tausalz-Widerstand von Betonin Verkehrsbauwerken

2.1 Definition der Frost-Tausalz-Bean-spruchung in den Regelwerken

Die Einwirkungen der Umgebung auf Beton werdennach DIN-Fachbericht 100 [3] in Expositionsklas-sen unterteilt. Frostangriff mit und ohne Taumittelwird den Expositionsklassen XF zugeordnet. Wenndurchfeuchteter Beton erheblichem Angriff durchFrost-Tau-Wechsel ausgesetzt ist, muss die Expo-sitionsklasse gemäß DIN-Fachbericht 100, Tabelle1, zugeordnet werden (Tabelle 2.1). Unter Taumittel-einwirkung ist Beton mit mäßiger Wassersättigungund Tausalz die Expositionsklasse XF2 und Betonmit hoher Wassersättigung die ExpositionsklasseXF4 zugeordnet.

Für Betonzusammensetzungen und Betonaus-gangstoffe werden in DIN-Fachbericht 100, Ab-schnitt 5.3 und Tabellen F.2.2 „Grenzwerte der Be-tonzusammensetzung“, F.3.1 bis F.3.4 „Anwen-dungsbereiche für Zemente“ und F.4.1 „Höchst-zulässiger Mehlkorngehalt“, Anforderungen für die

jeweilige Expositionsklasse genannt. Bei Überein-stimmung der Betonzusammensetzung mit diesenAnforderungen gilt als nachgewiesen, dass derBeton unter Beanspruchung entsprechend der je-weiligen Expositionsklasse über eine Nutzungsdau-er von mindestens 50 Jahren dauerhaft ist; sachge-rechter Einbau, sachgerechte Nachbehandlung,angemessene Betondeckung und angemesseneInstandhaltung vorausgesetzt.

Für Ingenieurbauwerke an Bundesfernstraßen wirddie Expositionsklasse XF2 mit ZTV-ING 3-1 [4], Ab-schnitt 4, (11), konkretisiert. Die Bedingungengemäß der Expositionsklasse XF2 liegen in aufge-henden Bauteilen dann vor, wenn im Fußbereich ander nicht überwiegend horizontalen Betonober-fläche (wie z. B. Widerlagerwand, gekrümmte Tun-nelinnenschale) durch konstruktive Maßnahmendas tausalzhaltige Spritzwasser abgeleitet wird.Durch diese Maßnahme kann kein Wasser ausPfützen, das nicht unmittelbar im Anschluss an dasNiederschlags- oder Spritzwasserereignis abfließt,am Wand- oder Stützenfuß über Kapillarkräfte imBeton aufsteigen und dort zu lang anhaltenderDurchfeuchtung im Sinne der hohen Wassersätti-gung führen.

2.2 Schädigungsmechanismus

In der Betonmatrix, das ist der Beton abzüglich derGesteinskörnung, liegen Poren mit ganz unter-schiedlicher Porenweite in unmittelbarer Nachbar-schaft vor. Sind die Poren wiederum durch Porenunterschiedlicher Porenweite miteinander verbun-den, entsteht ein vernetztes Porensystem, welchesmit Wasser gefüllt werden kann. Dieses Poren-

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Tab. 2.1: Expositionsklassen für Frosteinwirkungen nach DIN-Fachbericht 100 [3]

Klassenbezeichnung Beschreibung der Umgebung Beispiele für die Zuordnung von Expositionsklassen (informativ)

5 Frostangriff mit und ohne Taumittel

Wenn durchfeuchteter Beton erheblichem Angriff durch Frost-Tau-Wechsel ausgesetzt ist, muss die Expositionsklasse wie folgtzugeordnet werden:

XF1 mäßige Wassersättigung, ohne Taumittel Außenbauteile

XF2 mäßige Wassersättigung, mit Taumittel Bauteile im Sprühnebel- oder Spritzwasserbereich von taumit-telbehandelten Verkehrsflächen, soweit nicht XF4; Betonbautei-le im Sprühnebelbereich von Meerwasser

XF3 hohe Wassersättigung, ohne Taumittel offene Wasserbehälter; Bauteile in der Wasserwechselzone vonSüßwasser

XF4 hohe Wassersättigung, mit Taumittel Verkehrsflächen, die mit Taumitteln behandelt werden; Überwie-gen horizontale Bauteile im Spritzwasserbereich von taumittel-behandelten Verkehrsflächen; Räumerlaufbahnen von Kläranla-gen; Meerwasserbauteile in der Wasserwechselzone

system ist die offene (mit Wasser füllbare) Porositätder Betonmatrix.

Dem Schädigungsmechanismus im Beton liegenverschiedene Effekte zugrunde, die auf makrosko-pischer, mikroskopischer und nanoskopischerEbene der Porengröße wirken. Der Wissenstandzum Schädigungsmechanismus ist in dem Sach-standbericht des DAfStb [8] sehr detailliert darge-stellt. An dieser Stelle wird ein Überblick mitSchwerpunkt Frost- und Tausalzeinwirkung aufBeton gegeben.

Auf makroskopischer Ebene (Poren größer rd. 1 mm) können als Folge der unterschiedlichenTemperaturausdehnungskoeffizienten von Zement-stein und Eis schon bei rd. 15 Kelvin Zugspannun-gen an Porenwänden entstehen, die im Bereich derBetonzugfestigkeit liegen [8].

Auf mikroskopischer Ebene (Poren kleiner rd. 1 mmund größer rd. 1 x 10-7 m) werden der HydraulischeDruck, der Kapillare Effekt, die Mikroeislinsenpum-pe und, bei Einwirkung von Tausalzen, chemischeund physikalische Veränderungen unterschieden.

Der Hydraulische Druck resultiert aus der 9%igenVolumenausdehnung des Wassers beim Phasen-übergang vom flüssigen (Wasser) zum festen Me-dium (Eis). Ist diese Expansion behindert, entstehtein Innendruck im Porensystem, dessen Größe ab-hängig ist von der

• Länge der Strecken zwischen Ort der Eisbildungund Ausweichraum,

• Kristallisationsgeschwindigkeit des Eises,

• Abkühlungsgeschwindigkeit,

• Menge an gefrierbarem Wasser.

Der Kapillare Effekt beruht auf der Radius-Gefrier-punkt-Beziehung, nach der die Gefriertemperatur inengen Poren erniedrigt ist. Dadurch können neben-einander Eis in größeren Poren und Wasser in klei-neren Poren vorliegen. Durch den gegenüber Was-ser reduzierten Dampfdruck über Eis entstehen er-hebliche Unterdrücke im Gelporensystem, dieeinen Wassertransport aus den Gelporen hin zumEis in den größeren Poren in Gang setzen, wo dasWasser gefriert und expandiert.

Durch den wachsenden Eisdruck bei behinderterExpansion und/oder wachsende Eigenspannungeninfolge Behinderung des Transports des Gelporen-wassers im Porensystem können irreversible De-formationen der Betonmatrix hervorgerufen wer-

den. Die Folge ist eine Gefügezerstörung der Be-tonmatrix.

Mit der Mikroeislinsenpumpe wird der Kapillare Effekt unter Berücksichtigung der Nanoebene desPorensystems im Beton (Poren kleiner rd. 1 x 10-7 m) und der Oberflächenphysik erweitert. Dabeiwerden auch die Prozesse berücksichtigt, diewährend des Auftauens des Betons zwischen denFrostzyklen auftreten, wenn der Beton mit Wasserin Kontakt steht.

Das Entstehen von Unterdruck und Transportvor-gängen im Gelporensystem (Poren im Nanometer-bereich zwischen rd. 1 x 10-9 m und 100 x 10-9 m)wird durch physikalische und chemische Bedingun-gen für die gleichzeitige Existenz von Wasser-dampf, Wasser und Eis jeweils als stabile Phase er-klärt. Im nanoporösen Porensystem gelten Gesetzeder Oberflächenphysik, die im Submikrobereich do-minieren. Ungefrorenes Wasser in Gelporen kannim 3-Phasen-Gleichgewicht Wasserdampf-Wasser-Eis nur dann vorliegen, wenn in ihm ein Unterdruckentsteht, der mit fallender Temperatur zunimmt.Beim Abkühlen des Betons entsteht so ein Unter-druck im Gelporensystem, der einen Transport desWassers aus den Gelporen hin zum makroskopi-schen Eis initiiert. Wenn das Eis im Porenraumgenügend Expansionsraum hat, beobachtet maneine plötzliche Kontraktion des Porensystems, dieals Gefrierschwinden bezeichnet wird. Beim Erwär-men kehrt sich dieser Vorgang um. Das noch amEis angefrorene Wasser kann nicht so schnell inden Gelporenraum zurückströmen, wie der Poren-raum expandiert. Wird der Betonmatrix bzw. derBetonoberfläche in diesem Moment von außen frei-es Wasser angeboten, z. B. wenn Flüssigkeit imÜberschuss an der Betonoberfläche ansteht, sowird dies Wasser zusätzlich in das Gelporensystemaufgesaugt. Bei Wiederholung des Abkühl- und Auf-tauvorgangs wirkt das 3-Phasen-System im nano-porösen Bereich als Frostpumpe, durch die der Sät-tigungsgrad des Betons kontinuierlich ansteigt. DerSättigungsgrad kann dabei die Sättigung unter nor-malen Klimabedingungen ohne Frost-Tau-Wechselweit übersteigen. Sobald das Eis nicht mehr genü-gend Expansionsraum hat, wird, wie unter dem Ef-fekt Hydraulischer Druck beschrieben, die Beton-matrix irreparabel geschädigt.

Tausalz kann durch chemische Reaktionen denFrostschaden in der Betonmatrix vergrößern. Vorallem die Chloridionen reagieren mit den Zement-phasen. Die Reaktionsprodukte haben ein größe-

10

res Volumen als die Ausgangstoffe und können Ge-fügeschäden verursachen. Auch kann die Kapillar-porosität durch Auslaugung des Calciumhydroxidsder Betonmatrix vergrößert werden. Dies führt zueiner Abnahme der Festigkeit des Gefüges, Zunah-me der Kapillarporosität und zu einer beschleunig-ten Wasseraufnahme. Nach der Tausalzart differen-ziert ist die auslaugende Wirkung von Magnesi-umchlorid (MgCl2) größer als von Natriumchlorid(NaCl). Auf den Ablauf der chemischen Reaktionenhat die Temperatur einen wesentlichen Einfluss [8].

Tausalz verändert auch die Gefriertemperatur vonWasser und beeinflusst so den Kapillaren Effekt, d. h. den Unterdruck im Gelporensystem und dieRadius-Gefrierpunkt-Beziehung. Der Gefrierpunktder Flüssigkeit und der Dampfdruck über der tau-salzhaltigen Flüssigkeit werden bei gleicher Poren-größe erniedrigt. In den Gelporen liegt bei sonstgleichen Randbedingungen mehr ungefrorenesWasser vor und der Unterdruck im Gelporensystemwird größer, sodass durch die Mikroeislinsen- oderFrostpumpe der Sättigungsgrad des Gefüges zu-nimmt, wenn während des Auftauens weitere Flüs-sigkeit aufgenommen werden kann.

Auch Gesteinskörner mit offener Porosität könnendurch Frost- und Frost-Tausalzeinwirkung zerstörtwerden. Die Porosität von Gesteinskörnern ist je-doch nicht so fein und erstreckt sich nicht übermehrere Größenordnungen wie im Zementstein,sodass die Gefrierpunkterniedrigung und die Mi-kroeislinsenpumpe eigentlich nicht schadensur-sächlich sein können. In der Regel ist in Gesteins-körnung für Beton der Hydraulische Druck scha-densursächlich.

2.3 Schädigung des Betons undSchadensentwicklung

Frostschäden können im Beton auftreten,

• wenn die Betonausgangstoffe keinen ausrei-chenden Frost-Tausalz-Widerstand aufweisenoder nicht frostbeständige Stoffe wie z. B. Holz-partikel, lehmhaltige Bestandteile oder Humus inden Frischbeton gelangen,

• wenn nicht frost-tausalzbeständige Gesteinskör-ner im Beton enthalten sind,

• wenn das Luftporensystem im Beton nicht wirk-sam ist,

• wenn das Gelporenwasser der Betonmatrix ge-friert oder

• wenn während des Frostereignisses der kriti-sche Sättigungsgrad der Betonmatrix über-schritten wird, d. h., wenn die Porosität des Be-tons zu hoch und die Festigkeit zu gering ist.

Die Verwendung nicht geeigneter Stoffe im Betonkann durch Beachtung der bekannten Regelwerkeausgeschlossen werden. Für die Entwicklung desneuen Prüfverfahrens XF2 und die Bewertung derErgebnisse der Messungen im Bauwerksbeton istdie Schädigung der Betonmatrix entscheidend.

Das Gelporenwasser in der Betonmatrix kann erstunterhalb von -25 °C bis -30 °C Betontemperaturgefrieren. Dann ist der Hydraulische Druck alsFolge der Eisbildung so groß, dass Betongefügezerstört wird. Die niedrigste Temperatur, die nachneuen Forschungsergebnissen in Bauwerksbetonin Deutschland im Beobachtungszeitraum von rd. 4Winterperioden gemessen wurde, betrug -21 °C anEistagen. Die Temperaturen an schadensrelevan-ten Frosttagen mit Frost-Tau-Wechsel erreichtendiese Minimaltemperatur nicht [5].

Im Temperaturbereich von 0 °C bis rd. -25 °C ist dieSchädigung eine Folge der Wasserfüllung derPoren, der Wasseraufnahme durch Frostsaugenwährend der Frost-Tau-Wechsel, dem Sättigungs-grad und der Festigkeit.

Als Sättigungsgrad wird das Verhältnis von wasser-gefüllten Poren zu luftgefüllten Poren bezeichnet.Der kritische Sättigungsgrad steht für den Zustand,in dem die Höhe der frostinduzierten Zugspannun-gen im Betongefüge dessen Zugfestigkeit erreichtoder überschreitet. Überschreitet der aktuelle Sätti-gungsgrad beim Frostereignis den kritischen Sätti-gungsgrad, führt das Gefrieren der Porenflüssigkeitzu irreparabler Gefügezerstörung [9].

Im gefrorenen Beton können darüber hinaus zu-sätzliche Spannungen bei plötzlichen Temperatur-veränderungen (s. Kapitel 2.2) von mehr als ca. 15Kelvin durch die unterschiedlichen Temperaturaus-dehnungskoeffizienten von Zementstein und Eisentstehen.

Die Schädigung des Betons von Bauwerken be-ginnt von der Oberfläche ausgehend in den Poren,die beim Frostereignis bis zur kritischen Sättigungmit Wasser gefüllt sind. Durch das Gefrieren wirddas Gefüge irreparabel gestört, verliert seine Festigkeit und beim nächsten Angebot von Wasseran der Oberfläche wird die weitere Wasseraufnah-me des Betons beschleunigt erfolgen.

11

Beim nächsten Frostereignis durchdringt das Was-ser die vorher geschädigte Schicht schneller unddringt in die bis dahin ungeschädigte Betonzoneein. Wird hier der kritische Sättigungsgrad über-schritten, wird beim Gefrieren das Gefüge irrepara-bel gestört, verliert seine Festigkeit und eine weite-re Wasseraufnahme erfolgt beschleunigt.

Diese Prozesskette setzt sich mit weiteren Frost-Tau-Wechseln bei gleichzeitigem Angebot vonWasser von außen bis in den Betonkern fort. Jedicker die wassergesättigte Betonrandzone beiFrostbeanspruchung ist, desto tiefer schreitet dieSchadensfront bei jedem Frost-Tau-Wechsel in denQuerschnitt fort.

Dabei ist es, wie die neuen Forschungsergebnissezeigen [7], unerheblich, ob die Frost-Tauwechsel inunmittelbarer Folge einwirken oder ob der Betonzwischenzeitlich austrockenen kann.

Die Gefügeschäden werden unter Mitwirkung vonTausalz verstärkt (s. Kapitel 2.2). Beim Eindringenvon tausalzhaltigem Wasser in Beton dringt dasWasser schneller ein als das darin gelöste Salz. Eindeutliches Nachlaufen der Eindringfront des Salzesim Vergleich zum Wasser ist feststellbar [10]. BeiMitwirkung von Tausalzen ist die Salzkonzentrationan der Oberfläche hoch und schon mit Beginn derersten Gefügeschädigung treten Abwitterungen ander Betonoberfläche auf.

Schädigende Treibreaktionen, die als Folge derTausalzeinwirkung auf Zementphasen auftreten,laufen gegenüber der Flüssigkeitssättigung des Be-tons in einem Frost-Tau-Zyklus verlangsamt ab,können aber bei längerer Verweildauer der tausalz-haltigen Flüssigkeit und Temperaturen um rd. 10 °Cerhebliche Gefügestörungen verursachen.

Der Schadensfortschritt des Betons im Bauwerkwird von der Menge an Wasser und der Geschwin-digkeit, mit der das Wasser eindringt, geprägt. DieGeschwindigkeit wird maßgeblich durch die Größe,Menge und Vernetzung der Kapillarporen in der Be-tonmatrix beeinflusst. So nimmt ein Beton mit starkvernetzten relativ großen Poren (z. B. Beton mit w/z≥ 0,70 oder Beton mit kleinerem w/z-Wert und ge-ringem Hydratationsgrad) sehr schnell viel Wasserauf. Das Kapillarporensystem eines solchen Betonsist kontinuierlich ausgebildet. Der für eine Frost-schädigung kritische Sättigungsgrad wird nach kur-zer Zeit der Wasserexposition überschritten, dasGefüge bei Frost-Tauwechsel-Beanspruchung zer-stört. Im Gegensatz dazu nimmt ein Beton mit stark

vernetzten relativ kleinen Poren (z. B. Beton mit w/z< 0,40 und hohem Hydratationsgrad) nahezu keinWasser auf. Das Kapillarporensystem ist diskonti-nuierlich. Der kritische Sättigungsgrad kann beieinem so dichten Beton nur dann überschritten wer-den, wenn bei sehr häufigen Frost-Tau-Wechselnund gleichzeitigem Angebot von Wasser von außenmit der Mikroeislinsenpumpe ausreichende Men-gen an Wasser in Gefüge transportiert werden kön-nen.

Je größer die Kapillaraktivität der Betonmatrix ist,desto tiefer reicht die wassergefüllte Zone in dasBauwerk hinein, desto schneller erfolgt die Wasser-aufnahme und desto tiefer reichen die Gefüge-störungen infolge der Frost-Tau-Wechsel in dasBauwerk hinein.

Die Schadensintensität einer Frost-Tausalz-Bean-spruchung von Beton wird vor allem vom Sätti-gungsgrad des Porensystems, dem Temperaturmi-nimum bei Frost, dem Temperaturhub beim Ab-kühlen und Erwärmen, der Anzahl der Frost-Tau-wechsel und von der Tausalzbelastung bestimmt.

Wirksame Maßnahmen zur Reduzierung der Schä-digung und Schädigungsgeschwindigkeit sind Maß-nahmen zur Reduzierung der Kapillaraktivität, Maß-nahmen zur Reduzierung der Kapillarporosität undMaßnahmen zur Erhöhung der Betonzugfestigkeit.

Luftporen im Beton reduzieren die Kapillaraktivität.Sie unterbrechen die Kapillarporen und vergrößernden Ausweichraum für gefrierendes Wasser. EinSchaden entsteht im Luftporenbeton nicht, weil derSättigungsgrad von Luftporenbeton bei gleichemWassergehalt geringer ist als der des Betons ohneLuftporen. Auch wird durch Verkürzung der Streckezwischen dem Ort der Entstehung des Eises unddem Ausweichraum der Hydraulische Druck im Po-rensystem reduziert. Dafür müssen allerdings be-stimmte Anforderungen an den Luftporengehalt,den Gehalt an Mikroluftporen und den Abstand die-ser Mikroluftporen untereinander erfüllt werden[12]. Der Luftporenbeton wird in der Regel mit spe-ziellen Betonzusatzmitteln, den Luftporenbildern,hergestellt.

Wirksame Maßnahmen zur Reduzierung der Kapil-larporosität sind z. B.:

• Reduzierung des w/z-Wertes und damit Redu-zierung der Porengrößen und Erhöhung derVernetzung der Poren,

12

• Erhöhung des Hydratationsgrades, z. B. durchverlängerte Nachbehandlung oder höheres Be-tonalter,

• Reduzierung des Blutens von Beton.

Wirksame Maßnahmen zur Erhöhung der Festig-keit des Betons sind z. B.:

• Reduzierung des w/z-Wertes,

• Erhöhung des Hydratationsgrades, z. B. durchverlängerte Nachbehandlung oder höheres Be-tonalter.

Keine Schäden entstehen, wenn das Porensystemder Betonoberfläche ausreichend dicht und fest istund dadurch kein oder nur so wenig Wasser ein-dringen kann, dass eine kritische Sättigung nicht er-reicht wird. Eine Erhöhung des kritischen Sätti-gungsgrades mit der Frostpumpe gemäß dem Mikroeislinsenmodell von SETZER während derFrost-Tau-Wechsel muss hierbei berücksichtigtwerden.

Der Konstruktionsbeton für Bauteile an Bundes-fernstraßen liegt mit w/z ≤ 0,50 bei ausreichenderNachbehandlung und mit den zulässigen Beton-ausgangstoffen auch ohne künstliche Luftporenzwischen den genannten Extremen der Schadens-entwicklung. Der Beton nimmt relativ langsamdurch Kapillaraktivität anstehendes Wasser in seinGefüge auf. Das Kapillarporengefüge ist nicht kon-tinuierlich ausgebildet. Allein durch die Kapillarakti-vität wird in einem solchen Beton der für eine Frost-schädigung kritische Sättigungsgrad nicht erreicht.Durch die Wirkung der Mikroeislinsenpumpewährend der Frost-Tau-Wechsel kann jedoch derkritische Sättigungsgrad im Bauwerksbeton erreichtwerden. Der Konstruktionsbeton für Bauteile in XF4wird immer mit Luftporen hergestellt, sodass derSättigungsgrad geringer ist als in einem vergleich-baren Beton ohne Luftporen in XF2.

2.4 Abgrenzung mäßiger Wassersätti-gung des Betons von hoher Was-sersättigung

Durchfeuchteter Beton kann, so die Normen [3], beierheblichem Angriff durch Frost-Tau-Wechsel ge-schädigt werden. Zur Beschreibung der Intensitätoder Stärke des Frostangriffs werden in den Nor-men die Expositionsklassen XF für mäßige Was-sersättigung und für hohe Wassersättigung unter-schieden. Mit zunehmender Wassersättigung

nimmt die Intensität des Frostangriffs zu. Die Inten-sität bzw. Schärfe des Frostangriffs auf das Beton-gefüge wird in XF2 und XF4 durch Tausalzeinwir-kung noch verstärkt.

In den Expositionsklassen der hohen Wassersätti-gung, XF3 und XF4, zeigen die Beispiele für die Zu-ordnung der Expositionsklassen (Tabelle 2.1), dassdem Beton während der Frost-Tau-Wechsel ausrei-chend Wasser von außen zur Verfügung steht, umdurch Kapillarwirkung einen hohen Sättigungsradim Gefüge bis in tiefere Zonen des Bauteils auf-recht erhalten zu können. Falls die Anforderungender Regelwerke nicht eingehalten würden, wärenGefügestörungen über weite Teile des Betonquer-schnitts möglich. Die Tragfähigkeit des Bauteilskönnte in Frage gestellt werden.

In den Expositionsklassen der mäßigen Wassersät-tigung, XF1 und XF2, zeigen die Beispiele (Tabelle2.1), dass der Beton während der Frost-Tau-Wech-sel entweder nur kurzzeitig mit Spritzwasser odernur mit dem vergleichsweise geringen Wasseran-gebot des Sprühnebels beaufschlagt wird. Es stehtnicht fortwährend Wasser außen am Beton an. Einhoher Sättigungsgrad wird sich nur in einer ober-flächennahen Zone des Betonbauteils einstellenkönnen. Falls die Anforderungen der Regelwerkenicht eingehalten würden, wären Gefügestörungenin der oberflächennahen Zone zu erwarten. Dannwittert die Betonoberfläche ab, ohne dass die Trag-fähigkeit des Bauteils unmittelbar betroffen wäre.Allerdings erhöhen solche Gefügestörungen diePorosität, sodass neben Wasser auch Chlorideoder Kohlendioxid schneller eindringen können undso die wirksame Betondeckung der Bewehrung re-duziert werden kann. Beides würde zu einer Ver-kürzung der Nutzungsdauer des Bauteils führen.

Welcher Grad der Wassersättigung mäßige vonhoher Wassersättigung unterscheidet, wird in denNormen nicht mitgeteilt.

Ohne Tausalzeinwirkung kennt die Norm die Expo-sitionsklassen XF1 für mäßige und XF3 für hoheWassersättigung, mit Taumitteleinwirkung die Expo-sitionsklassen XF2 und XF4. Durch die Tausalzein-wirkung werden der Hydraulische Druck und derKapillare Effekt verstärkt und unter Umständen wir-ken die chemischen Treib- bzw. Auslaugreaktionenzerstörend (s. Kapitel 2.2).

Der Sättigungsgrad, den die Betonmatrix des Bau-teils bei Wasserangebot von außen und durch dieMikroeislinsenpumpe während der Frost-Tau-

13

Wechsel erreichen kann, wird von der Porenstruk-tur des jeweiligen Betons (Zement, Zusatzstoffe,Zusatzmittel, w/z-Wert, Zementleimgehalt, Nachbe-handlung, Betonalter) bestimmt. Damit ist der Sätti-gungsgrad keine Größe, die ausschließlich von denEinwirkungen der Umgebung auf den Beton be-stimmt wird, wie die Expositionsklassen XF1, XF2bzw. XF3 und XF4 suggerieren. Der Sättigungsrad,bei dem jeder weitere Frostangriff Gefügeschädi-gungen zur Folge hat, wird nicht nur von den Um-gebungsbedingungen, sondern ganz wesentlichauch von der Zusammensetzung und der Nachbe-handlung des Betons bestimmt.

Auch chemische Reaktionen können die mit Flüs-sigkeit füllbare Porosität vergrößern. So werden z. B. durch die Karbonatisierung Hydratationspro-dukte im hüttensandreichen Zementstein poröser.Bei gleichem Wassergehalt kann der Sättigungs-grad der karbonatisierten Betonrandzone vonBeton mit hohem Hüttensandgehalt deshalb größersein als im nicht-karbonatisierten Betoninnerenund, bei Überschreiten des kritischen Sättigungs-grads, abwittern.

Die Anforderungen der Norm an die Betonzusam-mensetzung unter Frost-Tausalz-Einwirkung stellensomit eine Beispiel- oder Grenzporosität für einenBeton dar, dessen Frost-Tausalz-Widerstand beiordnungsgemäßem Einbringen, Verdichten undNachbehandeln über die beabsichtigte Nutzungs-dauer gegeben ist. Anforderungen stellt die Norman die Grenzwerte der Betonzusammensetzung,die Zementart und den Mehlkorngehalt. TabelleF2.2. aus dem DIN-Fachbericht 100 (Tabelle 2.2)zeigt, dass unter Tausalzeinwirkung Luftporen er-forderlich sind, damit Beton mit w/z ≤ 0,50 einenausreichenden Frost-Tausalz-Widerstand bei hoherWassersättigung XF4 hat. Der gleiche Beton, je-doch ohne Luftporen, weist einen ausreichendenFrost-Tausalz-Widerstand bei mäßiger Wassersätti-gung auf. Bei höherer Kapillarporosität (w/z ≤ 0,55)sind auch in XF2 Luftporen erforderlich.

Weicht die Porosität eines Betons von der „Grenz-porosität“ des Betons nach Norm zur negativenSeite hin ab, können Gefügeschäden bei sonst glei-chen Umgebungsbedingungen nicht ausgeschlos-sen werden. Dies gilt sowohl für die Betonrandzonewie auch für den Kernbeton.

14

Tab. 2.2: Grenzwerte der Betonzusammensetzung für Frost XF1, XF2, XF3 und XF4 nach Tabelle F.2.2 DIN-Fachbericht 100 [3]

Betonkorrosion

Frostangriff Aggressive chemische

Umgebung

Verschleißbeanspruchungh

Nr. Expositionsklassen XF1 XF2 XF3 XF4 XA1 XA2 XA3 XM1 XM2 XM3

1 Höchstzulässiger w/z 0,60 0,55g 0,50g 0,55 0,50 0,50g 0,60 0,50 0,45 0,55 0,55 0,45 0,45

2 Mindestdruckfestigkeits-

klassebC25/

30

C25/

30

C35/

45eC25/

30

C35/

45eC30/

37

C25/

30

C35/

45d,eC35/

45dC30/

37dC30/

37dC35/

45dC35/

45d

3 Mindestzementgehaltc

in kg/m3280 300 320 300 320 320 280 320 320 300i 300i 320i 320i

4 Mindestzementgehaltc

bei Anrechnung von

Zusatzstoffen in kg/m3

270 g g 270 270 g 270 270 270 270 270 270 270

5 Mindest-Luftgehalt in % — f — f — f, j — — — — — — —

6 Andere Anforderungen Gesteinskörnungen für die Expositionsklassen

XF1 bis XF4 (siehe DIN V 20000-103

und DIN V 20000-1104) — — l —

Ober-

flächen-

behand-

lung des

Betonsk

Hart-

stoffe

nach

DIN

1100F4 MS25 F2 MS18

b, c , d und e siehe Fußnoten in Tabelle F.2.1.

f Der mittlere Luftgehalt im Frischbeton unmittelbar vor dem Einbau muss bei einem Größtkorn der Gesteinskörnung von 8 mm ≥ 5,5 %

(Volumenanteil), 16 mm ≥ 4,5 % (Volumenanteil), 32 mm ≥ 4,0 % (Volumenanteil) und 63 mm ≥ 3,5 % (Volumenanteil) betragen.

Einzelwerte dürfen diese Anforderungen um höchstens 0,5 % (Volumenanteil) unterschreiten

g Zusatzstoffe des Typs II dürfen zugesetzt, aber nicht auf den Zementgehalt oder den w/z angerechnet werden

h Es dürfen nur Gesteinskörnungen nach DIN EN 12620 unter Beachtung der Festlegungen von DIN 20000-103 verwendet werden

i Höchstzementgehalt 360 kg/m3, jedoch nicht bei hochfesten Betonen

j Erdfeuchter Beton mit w/z ≤ 0,40 darf ohne Luftporen hergestellt werden

k Z. B. Vakuumieren und Flügelglätten des Betons

l Schutzmaßnahmen siehe Kapitel 5.3.2

3 Sachstand zur Beanspruchungvon Beton im Bauwerk vorProjektbeginn

3.1 Einwirkungen auf Betonbauwerkean Bundesfernstraßen

Alle Bauwerke an Bundesfernstraßen sind alsAußenbauteile der Witterung und als Bauteile amRande stark befahrener Straßen zusätzlich Spritz-wasser, Sprühnebel und saisonal auch Tausalzenausgesetzt. Die Frost-Tausalz-Beanspruchung desBetons resultiert aus Niederschlag, aus der jahres-zeitlich bedingten Tausalzbeanspruchung und ausder Temperaturwechselbeanspruchung mit Tempe-raturen oberhalb und unterhalb des Gefrierpunktes.Gegenüber anderen Außenbauteilen folgt die Was-sersättigung des Betons im Bauwerk nicht nur ausLuftfeuchte und Niederschlag, sondern zusätzlichaus Spritzwasser und Sprühnebel, die durch denStraßenverkehr aufgewirbelt werden und die saiso-nal auch tausalzhaltig sind, siehe Bilder 3.1 und3.2. Schmelzwasser aus tausalzhaltigem Schneeund Eis am Fahrbahnrand oder auf Brückenkappenwirkt ebenfalls auf den Bauwerksbeton ein.

Die Schadensintensität einer Frost-Tausalz-Bean-spruchung von Beton in Bauwerken an Bundes-fernstraßen wird vor allem vom Sättigungsgrad desPorensystems, dem Temperaturminimum bei Frost,dem Temperaturhub beim Abkühlen und Erwärmen,der Anzahl der Frost-Tauwechsel und von der Tau-salzmenge bestimmt.

Messungen, mit denen diese Auswirkungen vonFrostereignissen im Bauwerksbeton erfasst werden

können, sind zu Beginn des Projektes nur wenigebekannt. Temperatur und Feuchtegehalt wurden imBeton von 2 Brücken in Süddeutschland über 4Jahre hinweg gemessen [13]. Die Temperaturmes-sung im Beton erfolgte kontinuierlich. Hinsichtlichder frostrelevanten Temperaturbeanspruchungwurde Folgendes festgestellt [14]:

• Die Temperaturbeanspruchung des Betons imBrückenbauwerk hängt in hohem Maß von dergeographischen Lage ab, obwohl die Brückennur rd. 150 km voneinander entfernt lagen.

• Die Anzahl der Frost-Tau-Wechsel (FTW), d. h.die Anzahl der Nulldurchgänge der Temperatur,hängt erheblich von der Lage im Bauwerk ab. Ander Brückenoberseite wurden i. M. 25 bzw. 50FTW je Jahr gemessen, an der Brückenunter-seite aufgrund der geschützten Lage und derWärmekapazität des Betonüberbaus nur jeweils5 FTW.

• Die Anzahl der FTW im Beton (Kappenersatz)nimmt mit der Tiefe im Bauteil erheblich ab. 50mm unterhalb der Oberfläche wurden nur noch60 bis 70 % der Werte an der Oberfläche er-reicht.

• Die häufigste Amplitude der Frost-Tau-Zyklenbeträgt rd. 10 Kelvin. In dieser Größe tritt sieauch nur im oberflächennahen Bereich auf. Diehäufigsten Tauzyklen begannen bei -2 °C.

• Die Höchsttemperaturen an der Bauteilober-fläche liegen bei rd. 47 bzw. 41 °C und die Tiefsttemperaturen bei rd. -12 bzw. -15 °C.

• Bei Tausalz-Streuung ist keine schockartige Ab-kühlung der Betonoberfläche festzustellen.

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Bild 3.1: Verkehr auf einer Brücke: Spritzwasser trifft Brücken-kappen und Sprühebel trifft Überbau, Pfeiler undBogen

Bild 3.2: Verkehr auf der Straße: Spritwasser trifft Schutzplan-ke und Pfeiler der Überführung und Sprühnebel trifftPfeiler und Widerlager und ggf. den Überbau

Feuchtemessungen wurden an Ersatzbrückenkap-pen durchgeführt, die einen Teil der Mittelkappe er-setzten. Durch Abspalten von einzelnen Scheibenvon der Ersatzbrückenkappe vor Ort zum jeweiligenMesszeitpunkt wurde die gravimetrische Bestim-mung des Feuchteprofils bis in 50 mm Betontiefeim Labor möglich. Es zeigte sich eine zeitliche Ver-änderung der Betonfeuchte über das Jahr hinweg,die mit der Witterung in Zusammenhang stand.Diese zeitliche Veränderung trat nicht nur an derOberfläche, sondern auch tiefer im Beton auf. Aneiner der beiden Brücken wurden oberflächennahin rd. 5 mm Tiefe Wassergehalte von 2,7 bis 7,7Masse-% und in 45 bis 50 mm Tiefe zwischen 3,2und 5,2 Masse-% ermittelt [14].

Kontinuierliche Feuchtemessungen wurden durchMessverfahren, die auf dem Verfahren der elektri-schen Widerstandsmessung beruhen, möglich.Durch Messungen mit der BOX-Methode wurden ineinem Brückenmittelpfeiler in Schweden folgendeErgebnisse abgeleitet [15]:

• Der Temperatureinfluss auf den gemessenenWiderstand ist sehr hoch und muss bei der Ab-leitung des Feuchtegehalts aus den Messwertenberücksichtigt werden.

• Die Schwankungen im gemessenen Wasserge-halt sind gering.

• Der in Bodennähe gemessene Wassergehalt isthöher als der in einer Höhe von ca. 1 m gemes-sene Wassergehalt. Die Messstelle in Bo-dennähe wurde dabei sowohl durch Spritzwas-ser als auch durch Wasser, das von der Straßeablief, beeinflusst.

Mit den zu Projektbeginn vorliegenden Ergebnissenaus Bauwerksmessungen konnten zwar die Tem-peraturverläufe in den obersten 50 mm des Bau-werksbetons, die Anzahl der Frost-Tau-Wechselund singulär Werte zum Wassergehalt des Betonsermittelt werden. Es war jedoch nicht möglich,gleichzeitig Temperatur und Wassergehalt im Betonauch während eines Frostereignisses zu bestim-men. Denn nur aus diesen Werten lässt sich die In-tensität des Frostereignisses ableiten. Auch wurdeder Sättigungsgrad des Bauwerksbetons nicht er-mittelt.

Der Chloridgehalt wie auch das Chlorideindringver-halten in Bauwerksbeton wurde vielfach bestimmt.Der gemessene Chloridgehalt wird jedoch deutlichvon der Art der Probenentnahme aus dem Bauteilund vom Verfahren, mit dem der Chloridgehalt be-

stimmt wird, beeinflusst. So ist z. B. die durch Bohr-mehlentnahme gewonnene Probenmenge gering,wenn ein Chloridtiefenprofil ermittelt werden soll.Größere Probemengen und damit höhere Genauig-keiten werden durch Bohrkernentnahme möglich,insbesondere bei vorwiegend horizontalen Flä-chen, wie z. B. Betonstraßen oder Brückenkappen.Auch werden unterschiedliche Verfahren zur Be-stimmung des Chloridgehalts angewandt [8]. Des-wegen sind veröffentlichte Ergebnisse von Chlorid-tiefenprofilen nicht immer vergleichbar und nichtimmer wird die angewandte Methode zu Bestim-mung des Chloridgehalts angegeben.

Aus diesen Gründen werden in [8] am Beispieleines Brückenpfeilers die für die Frost-Tausalz-Be-anspruchung wichtigen Informationen zu Chlorid-gehalt und Chloridprofil am Pfeilerfuß und in 1,5 mHöhe angegeben.

Die Chloridprofile zeigen, dass im Bereich des Pfei-lerfußes (h = 0) ein Auswaschen der Chloride ausder Betonoberfläche außerhalb des Winterdienstesdurch nicht-tausalzhaltiges Spritzwasser erfolgt. In1,5 m Höhe des Pfeilers wird dieser Effekt nichtfestgestellt, sodass die Vermutung naheliegt, dassder Beton in dieser Höhe nur noch durch Sprüh-nebel und nicht mehr durch Spritzwasser be-aufschlagt wird. Der Chloridgehalt wird für den40 Jahre alten Betonpfeiler mit rd. 0,30 Mas-se-% vom Beton an der Oberfläche und rd. 0,04 Masse-% bzw. 0,05 Masse-% in Höhe der Be-wehrung im Sprühnebel bzw. im Spitzwasserbe-reich angegeben.

3.2 Zuordnung der Bauteile zu denExpositionsklassen XF2 und XF4

Die Zuordnung von Bauteilen an Bundesfern-straßen zu den Expositionsklassen erfolgte im Jahr2000/2001. Welche Bauteile während eines Frost-ereignisses von mäßiger und von hoher Wasser-sättigung betroffen sind, konnte infolge fehlenderBauwerksmessungen nicht sicher beantwortetetwerden. Erfahrungen mit den neuen Normen lagenzu der Zeit auch nicht vor. So wurde die Zuordnungtypischer Bauteile von Ingenieurbauwerken anBundesfernstraßen zu den Expositionsklassen XF2und XF4 über den Vergleich der bewährten Beton-zusammensetzungen nach DIN 1045:88-07 undZTV-K 96 mit den Betonzusammensetzungen nachDIN-Fachbericht 100 getroffen.

16

Aus den Erfahrungen mit dem Frost-Tausalz-Wider-stand von Bauwerken an Bundesfernstraßen, diedurch Tausalzverwendung, hohe Fahrgeschwindig-keit und vergleichsweise hohe Verkehrsdichte be-sonders intensiv mit tausalzhaltigem Spritzwasserund Sprühnebel beansprucht werden, war bekannt,dass Kappenbeton mit Luftporen hergestellt wer-den muss, wenn der höchstzulässige w/z-Wert 0,50beträgt. Widerlagerwände, Pfeilerscheiben undTunnelwände, an deren Fuß das tausalzhaltigeWasser abgeleitet wird, weisen einen hohen Frost-Tausalz-Widerstand auch ohne Luftporen auf.Damit ist die Verwendung von Beton ohne Luftpo-ren in diesen Bauteilen mit vorwiegend vertikal orientierten Flächen ohne Einbußen bei der Dauer-haftigkeit die wirtschaftlichere Lösung.

Zur wissenschaftlichen Absicherung der so getrof-fenen Zuordnung von Bauteilen des Brücken- undkonstruktiven Ingenieurbaus an Bundesfernstraßensind jedoch Untersuchungen am Bauwerksbetonerforderlich.

4 Untersuchungen im Rahmendes Projekts

Die Frost-Tauwechsel-Beanspruchung im Betonvon Verkehrsbauwerken in der ExpositionsklasseXF2 wurde im Rahmen des externen Forschungs-projekts FE 15.324/2000/FR „Europäische Bemes-sungsvorschriften für den Brückenbau – Beanspru-chung von Betonbauwerken“ [5] ermittelt. Als Bei-spiele für Bauteile in der Expositionsklasse XF2wurden Mittelpfeiler und Überbau von Brückensowie Tunnelwände ausgewählt. Mit diesen ausge-wählten Bauteilen wird die unterschiedliche Inten-sität der Frost-Tausalz-Beanspruchung in Hinblickauf Wassersättigung und Chloridbeaufschlagungdurch Straßenverkehr abgebildet. Mittelpfeiler undTunnelwand werden sowohl durch Spritzwasser alsauch durch Sprühnebel und der Brückenüberbauwird ausschließlich mit Sprühnebel beaufschlagt.

In den Wänden wurden die Messstellen oberhalbvon rd. 1 m Höhe angeordnet. Dies hatte den Vor-teil, dass mit Fremdeinwirkung infolge Straßenbe-triebs auf die Messstellen nicht zur rechnen warund dass in dieser Höhe die Frostbeanspruchungals maximal angenommen wurde. Näher zum Bau-teilfuß war nach den Ergebnissen von [14] die Be-einflussung der Oberflächentemperatur der Wanddurch die Wärmekapazität des Bodens bzw. der

Betonfahrbahn anzunehmen. An diesen Messtellenwurden Feuchtegehalt und Temperatur des Bau-werksbetons kontinuierlich über 5 Jahre hinweg in7 mm bis 87 mm Tiefe gemessen. Die Messung vonTemperatur und Feuchte in gleicher Tiefenlage er-möglichte die Berücksichtigung des Temperaturein-flusses auf die Messwerte der Feuchte, was nach[15] erforderlich war. Die Feuchtemessung erfolgteüber die Messung des Elektrolytwiderstands.

In den Tunnelbauwerken interessierten zusätzlichdazu die Änderung der Feuchte- und Temperaturbe-dingungen im Bauwerksbeton des Portalbereichsund des Bereiches zwischen den Portalen. DerÜbergang zwischen Portal- und Innenbereich wurdebis ca. 300 m in den Tunnel hinein untersucht.

Bei der Frost-Tausalzbeanspruchung von Beton inVerkehrsbauwerken in der Expositionsklasse XF4,das sind z. B. Kappen und Betonschutzwände, gingman zu Beginn des Projektes davon aus, dass dieWassersättigung hoch sei und nicht näher be-schrieben werden müsse. Im Verlauf des Projektsstellte sich jedoch heraus, dass zusätzlich zu denMessungen in XF2-Bauteilen Messungen in XF4-Bauteilen erforderlich wurden. Ein direkter Ver-gleich der Beanspruchung des Bauwerksbetons inden beiden Expositionsklassen ist nur möglich,wenn Wassergehalt und Sättigungsgrad mit dem-selben Mess- und Auswerteverfahren ermittelt wer-den. Dazu wurde das externe ForschungsprojektFE 89.0169/2005/AP „Tiefenabhängige Feuchte-und Temperaturmessung an einer Brückenkappeder Expositionsklasse XF4“ [6] vergeben. Mit die-sem externen Projekt wurden Messungen in derBrückenkappe einer der Brücken vorgenommen,die auch im Rahmen des Forschungsprojekts FE15.324/2000/FR [5] untersucht wurden. Die Mes-sungen erfolgten mit demselben Verfahren und inden gleichen Tiefenlagen im Bauteilbeton.

Die Entwicklung eines Prüfverfahrens zur Überprü-fung des Frost-Tausalz-Widerstands von Beton fürdie Expositionsklasse XF2 erfolgte im externen For-schungsprojekt FE 15.367/2002/DRB „Prüfverfah-ren nach dem Performance Concept – Beton in derExpositionsklasse XF2“ [7]. Im Rahmen dieses Pro-jekts wurden Untersuchungen durchgeführt, mitdenen das anerkannte CDF-Verfahren (XF4) somodifiziert wird, dass die Schadensintensität einerFrost-Tausalz-Beanspruchung in XF2 angemessenabgebildet wird.

Parallel zur den Laborversuchen wurden mit dengleichen Ausgangstoffen und Rezepturen Beton-

17

prüfkörper hergestellt. Diese wurden im Mittelstrei-fen einer Autobahn und einer 4-spurigen Bundes-straße der Witterung so ausgesetzt, dass entwederdie horizontalen Flächen (XF4-Bedingungen) oderdie vertikalen Flächen (XF2-Bedingungen) mit tau-salzhaltigem Sprühnebel und Spritzwasser ausdem Straßenverkehr beaufschlagt waren. Mit die-sen Auslagerungsversuchen soll ein Zusammen-hang zwischen den Ergebnissen der Prüfung mitdem neu entwickelten Prüfverfahren XF2 an sepa-raten Prüfkörpern und dem Verhalten von Beton imBauteil hergestellt werden.

In Betonbauteile von Verkehrsbauwerken dringenWärme bzw. Kälte und Wasser von der Oberflächeher eindimensional ein. Diese Bedingungen wurdenin den Auslagerungsversuchen nachgestellt, indemdie nicht der Witterung ausgesetzten Flächen sogedämmt waren, dass der Wärmetransport in denPrüfkörpern nur eindimensional erfolgte. Die Ab-dichtung der nicht-exponierten Flächen war sodicht, dass auch bei horizontal exponierter Ober-fläche kein Wasser seitlich in die Prüfkörper ein-dringen konnte.

Die so ausgelagerten Betonprüfkörper wurden vorder Auslagerung mit dem CDF-Verfahren (XF4) unddem modifizierten CDF-Verfahren (XF2) im Laborgeprüft. Während der Auslagerung im Mittelstreifenwurden die Betonprüfkörper in regelmäßigen Inter-vallen vor Ort hinsichtlich Wassergehalt und Frost-schäden (Gefügeschädigung und Abwitterung) un-tersucht. Damit wurde es möglich, die Schadens-entwicklung über die Auslagerungsdauer von rd. 4Winterperioden zu erfassen.

Um zu überprüfen, ob die tatsächliche Beanspru-chung des Bauwerkbetons (vertreten durch dieunter definierten Bedingungen hergestellten ausge-lagerten Prüfkörper) mit der Beanspruchung in derFrostprüfung im Labor in geeigneter Weise wieder-gegeben wird, werden in jeweils einem der ausge-lagerten Betonprüfkörper (XF2 bzw. XF4) der elek-trolytischer Widerstand und die Temperatur mitdemselben Verfahren gemessen [7] wie in den Bau-werken der Projekte FE 15.324/2000/FR (XF2) [5]und FE 89.0169/2005/AP (XF4) [6].

Die Ergebnisse der Feuchte- und Temperaturmes-sungen am Bauwerksbeton der Brücken und Tun-nel aus dem externen Projekt FE 15.324/2000/FR(XF2) [5] wurden im Projekt FE 15.367/2002/ DRB[7] berücksichtigt. Sie dienten der Festlegung einergeeigneten Bewertung von Betonen für Verkehrs-bauwerke in der neuen Prüfung XF2.

Die mit den externen Projekten untersuchten Bau-werke wurden so ausgewählt, dass der Beton einemöglichst intensive Frost-Tausalz-Beanspruchungerfährt. In Anlehnung an die Frostzonenkarte ausdem Straßenbau [16] wurden entsprechende Re-gionen ausgewählt. Mit Unterstützungen des Refe-rats S 18 im BMVBS und der zuständigen Straßen-bauverwaltung der Bundesländer wurden Bauwer-ke identifiziert, die für die Messungen geeignetwaren. Nur mit der aktiven Unterstützung der For-schungsnehmer durch Mitarbeiter der Straßenbau-verwaltung waren die Bauwerksmessungen undAuslagerungen möglich.

Bauwerksmessungen wurden durchgeführt

• an einer Überführung der BAB A 46 Arnsberg –Bestwig, Brücke Riedbüsche bei Meschede(Baujahr 1998), Frostzone III,

• an einer Überführung der BAB A 10 BerlinerRing im Bereich Neuenhagen, FredersdorferStraße (Neubau, Baujahr 2002), Frostzone II,

• an einem kurzen Tunnel (450 m) in geschlosse-ner Bauweise im Zuge der 4-spurig ausgebau-

18

Bild 4.1: Übersicht der Orte mit Bauwerksmessungen, der Aus-lagerungsorte und der Wetterstationen (nach [7])

ten B 14 Stuttgart-Heslach – Stadtmitte, Gäu-bahntunnel (Neubau, Verkehrsfreigabe April2002), Frostzone I und

• an einem langen Tunnel (2.380 m) im Zuge dervierspurig autobahnähnlich ausgebauten B 2/B 23 in Höhe Farchant bei Garmisch-Partenkir-chen, Nordportal in offener Bauweise (Verkehrs-freigabe Mai 2000), Frostzone III.

Prüfkörper zur Verifikation des neu zu entwickeln-den Prüfverfahrens XF2 wurden im Mittelstreifender BAB A 46 in Höhe der Brücke Riedbüsche undim Mittelstreifen der B 2/B 23 vor dem Nordportaldes Tunnels Farchant ausgelagert.

Die geographische Lage der Bauwerke und Ausla-gerungsorte ist Bild 4.1 dargestellt.

5 Ergebnisse zur Frost-Tausalz-Beanspruchung von Beton inVerkehrsbauwerken

5.1 Witterung und Verkehr

Nach heutigem Kenntnisstand zeichnen folgendeKenngrößen die Schärfe eines Frost-Tausalz-An-griffs aus:

• Minimaltemperatur,

• Anzahl der Frost-Tau-Wechsel,

• Feuchtebelastung,

• Tausalzbelastung.

Erkenntnisse zu Minimaltemperatur und Anzahl derFrost-Tau-Wechsel in der Luft sowie Niederschlagwerden den Wetterdaten des Deutschen Wetter-dienstes entnommen. Die Feuchtebelastung desBauwerkbetons resultiert aus dem Niederschlag,aber insbesondere aus dem Spritzwasser undSprühnebel, der durch die fahrenden Autos von derFahrbahn aufgewirbelt wird. Wird in der Winterperi-ode (d. h. im Winterdienst) Tausalz gestreut, sindSpritzwasser und Sprühnebel tausalzhaltig. DerBauwerksbeton wird dann neben der Feuchte mitTausalz beaufschlagt. Tausalzhaltiges Wasser ge-friert erst bei Temperaturen unterhalb von 0 °C, so-dass der Bauwerksbeton auch bei Temperaturenunterhalb des Gefrierpunkts mit Flüssigkeit beauf-schlagt wird.

5.1.1 Witterung

Minimaltemperatur, Anzahl der Frost-Tau-Wechselder Luft und Feuchtebelastung, hier hilfsweise ausNiederschlagsereignissen abgeleitet, werden ausMessungen des Deutschen Wetterdienstes abge-leitet und mit Aufzeichnungen an den Auslage-rungsorten ergänzt [5, 6, 7].

Die Auswertung der Aufzeichnungen der Wettersta-tionen zeigt, dass die gewählten Orte als repräsen-tativ für Frostereignisse in Deutschland angesehenwerden können [7] (siehe Bilder 5.1, 5.2 und 5.3).Differenziert werden Eistage, Frosttage und Frost-tage mit Niederschlag. Eistage sind die Tage, andenen das Wasser durchgehend gefroren vorliegt.Die Temperatur liegt unterhalb des Gefrierpunktesvon Wasser (0 °C). Frosttage sind die Tage, andenen das Wasser auftauen und/oder einfrierenkann. Die Maximaltemperatur liegt an Frosttagenüber dem Gefrierpunkt und die Minimaltemperaturunterhalb des Gefrierpunkts. Frosttage sind Tagemit Frost-Tau-Wechseln. Entscheidend für dieSchärfe der Betonbeanspruchung sind die Frostta-ge, an denen zusätzlich Niederschlag auftritt. Dannkann der Beton in XF2 Wasser aufnehmen, dasdurch den Straßenverkehr als Spritzwasser undSprühnebel und durch Niederschlag auf die Beton-oberfläche trifft. Der Beton in XF4 kann Spritzwas-ser aus Verkehr und größere Mengen Wasser ausNiederschlag aufnehmen. Dieses Wasserangebotan der Betonoberfläche kann möglicherweise dieMikroeislinsenpumpe aktivieren, sodass das Po-rengefüge durch Frost-Tau-Wechsel über den kriti-schen Sättigungsgrad hinaus Wasser aufnehmenkann.

Die Lufttemperatur an den untersuchten Bauwer-ken betrug im Messezeitraum minimal -21 °C und

19

Bild 5.1: Durchschnittliche Anzahl an Eistagen [7]

maximal 38 °C, bestimmt an den nächstgelegenenWetterstationen [5, 7]. Die Betontemperatur kann,wie in den Kapiteln 5.2 und 5.3 gezeigt wird, vonder Lufttemperatur abweichen.

5.1.2 Tausalz aus Verkehr

Die Tausalzbeanspruchung wird von den örtlichenWitterungsverhältnissen, der Bedeutung der Straßeim Verkehrsverbund und den regionalen Streuge-wohnheiten (ggf. präventive Streumaßnahmen),der Verkehrsdichte und dem Abstand der Beton-fläche von der Fahrbahn (d. h. Spritzwasser- undSprühnebelmenge, die die Betonoberfläche er-reicht) geprägt. Damit ist die direkte Erfassung derTausalzbeanspruchung des Betons erschwert,zumal in der tausalzfreien Saison durch Spritzwas-ser Salz aus dem Bauwerksbeton ausgewaschenwird [14].

Eine gute Orientierung für die Tausalzbeanspru-chung des Bauwerkbetons gibt die Tausalzbean-spruchung der Betonprüfkörper, die im Mittelstrei-

fen der Autobahn ausgelagert waren. Obwohl diePrüfkörper nur über 3 Winter ausgelagert waren,liegen die in den Tiefenlagen 0 bis 10 mm und 10bis 20 mm an Bohrmehlproben bestimmten Chlo-ridgehalte (Bild 5.4) im Bereich der Werte, die vonBauwerksbetonen stark befahrener Straßen mit 0,2bis 2,0 Masse-% bekannt sind [7]. Der Chloridge-halt der Tunnel- und Brückenbauteiloberflächenliegt im Rahmen dieser Werte, sodass davon aus-gegangen werden kann, dass die Chloridbelastungder Bauteiloberflächen, so sie für Frost-Tau-Wech-sel relevant ist, als repräsentativ anzusehen ist. Einhöherer Chloridgehalt im Beton würde die Abwitte-rungen in der Tendenz reduzieren, wie die Ergeb-nisse der Variation der Natriumchloridkonzentrationim CDF-Versuch nach [7] zeigen.

5.2 Temperatur und Sättigungsgrad inBauwerksbeton in XF2

Das Ziel der Untersuchungen war, den tatsächlichim Bauwerksbeton auftretenden Sättigungsgradund die Temperatur zu erfassen. Denn nur dann,wenn der für den betrachteten Beton kritische Sät-tigungsgrad überschritten wird und gleichzeitig dasWasser im Betongefüge gefriert, sind Frost-Tau-salz-Schäden die Folge. Dazu ist eine kontinuierli-che Erfassung der Messwerte, insbesonderewährend der Frostereignisse, Voraussetzung.

Im Rahmen der Untersuchungen wurden Multiring-Elektroden (MRE) sowie Temperatursensoren ein-gesetzt. Die MRE ermöglicht eine tiefenabhängigeMessung, sodass in Abschnitten von ca. 5 mm

20

Bild 5.2: Durchschnittliche Anzahl an Frosttagen [7]

Bild 5.3: Durchschnittliche Anzahl an Frosttagen mit Nieder-schlag [7]

Bild 5.4: Chloridgehalt der Betonprüfkörper in 0 bis 10 mm und10 bis 20 mm Tiefe nach der Auslagerung [7]. XF2kennzeichnet die lotrecht orientierten Flächen, XF4die horizontal orientierten. Die XF4-Flächen wurdennicht so unmittelbar mit Tausalz oder tausalzhaltigemSchnee beaufschlagt wie Brückenkappen

Tiefe innerhalb der Betondeckung bis in Tiefen vonca. 90 mm des unbeeinflussten Betons an acht un-terschiedlichen Stellen der elektrolytische Wider-stand erfasst wird [5, 6, 7]. In den gleichen Tiefenund Tiefenstufen wird die Betontemperatur gemes-sen. Der elektrolytische Widerstand von Betonsteht in engem Zusammenhang zum Wassergehaltdes Betons. Der Elektrolytwiderstand von Betonwird deutlich von der Temperatur beeinflusst. Mitder gleichzeitig in derselben Tiefenlage gemesse-nen Betontemperatur konnte der Einfluss der Tem-peratur auf den Elektrolytwiderstand jedoch kom-pensiert werden.

Für eine Übertragung der gemessenen Elektrolyt-widerstände in Wassergehalt bzw. Wassersätti-gungsgrad wurde im Labor eine Kalibrierung vorge-nommen. Die Kalibrierung erfolgte mit Hilfe derZweielektroden-Methode (TEM) an Betonscheiben,deren Wassergehalt, Gesamtporosität und Wasser-sättigungsgrad im Labor bestimmt wurden [5, 6].Die Probekörper mit 20 mm Dicke waren für die Un-tersuchung mit der Zweielektroden-Methode aufverschiedene Wassergehalte zwischen vollständi-ger Wassersättigung und trockenem Zustand ein-gestellt worden. Durch Messung des elektrolyti-schen Widerstandes der so konditionierten Schei-ben war es möglich, einen funktionalen Zusam-menhang zwischen elektrolytischem Widerstandund Wassergehalt bzw. Wassersättigungsgrad überden gesamten Sättigungsbereich des untersuchtenBetons zu bestimmen. Zur Ermittlung des Einflus-ses des Chloridgehalts auf den Elektrolytwider-stand wurden weitere Betonscheiben mit 3%igerNatriumchloridlösung (NaCl-Lösung) getränkt.

In der Brücke Riedbüsche bei Meschede und imTunnel Farchant bei Garmisch-Partenkirchen wur-den die Elektroden in schon unter Verkehr stehen-de Bauwerke eingesetzt. Dazu wurden Löcher inden Bauteilbeton gebohrt und MRE eingeführt. DerVerbund zwischen Beton und MRE wurde durchAnkopplungsmörtel von 2 mm Stärke durchgängighergestellt. Der mit der MRE gemessene Wider-stand ist dann der des Ankopplungsmörtels. Unterder Annahme, dass die dünne Mörtelschicht inner-halb kurzer Zeit im Feuchtegleichgewicht mit demBauwerksbetons ist, wurde eine Kalibrierung aufBasis der Adsorptionsisothermen von Ankopp-lungsmörtel und Beton vorgenommen [5].

Die im Folgenden dargestellten Wassergehalte undSättigungsgrade sind als Abschätzung zu verste-hen, da die vorgestellten Kalibriermethoden auf kei-

nem großen Erfahrungsschatz beruhen. Aus die-sem Grund erfolgt auch keine Berücksichtigung desEinflusses von Chlorid auf den aus der Wider-standsmessung abgeleiteten Wassergehalt. Die imRahmen des Forschungsprojektes durchgeführtenUntersuchungen haben gezeigt, dass ohne Berück-sichtigung des Chloridgehalts höhere Wasserge-halte berechnet werden und damit der ungünstige-re Fall des Sättigungsgrades im Bauwerksbetonabgebildet wird [5].

Die Ermittlung von Wassergehalt und Sättigungs-grad im Bauwerksbeton aus den Messungen mitder gewählten Kombination von MRE und Tempe-ratursensor hat sich dennoch bewährt. Auf dieseWeise konnten Daten im Beton kontinuierlich überfast 5 Jahre und auch unmittelbar vor, während undnach Frostereignissen erfasst werden.

Die klimatischen Verhältnisse im Bauwerksbetonweichen von den an nahe gelegenen Wetterstatio-nen aufgezeichneten Werten für Temperatur undNiederschlag ab. Im Bauwerksbeton werden weni-ger Eistage (Temperatur ständig unter 0 °C) undFrosttage (Temperatur durchschreitet 0 °C im Laufeeines Tages) gemessen als an den nahe gelegenenWetterstationen. Großen Einfluss auf die Anzahlder Frost-Tauwechsel im Beton hat die Sonnenein-strahlung. So wurde im Bauwerksbeton eine größe-re Anzahl Frost-Tauwechsel gemessen als in derLuft, wenn der Bauwerksbeton durch die Sonne be-schienen wurde (siehe Portal Gäubahntunnel in Ta-belle 5.1). Durch die Sonneneinstrahlung könnenauch bei sehr niedrigen Lufttemperaturen Frost-Tauwechsel im Bauwerksbeton auftreten [5]. Auchdie Lage der Messpunkte im Bauwerk hat die An-zahl der Frost-Tauwechsel im oberflächennahenBeton beeinflusst.

Die Tiefsttemperaturen im Bauwerksbeton liegenzwischen -14 °C und -21 °C. Der Wert von -21 °Cwird nur einmal im Beobachtungszeitraum von 4Wintern erreicht. Diese tiefen Temperaturen werdenallerdings nur an Eistagen erreicht. Die tiefstenTemperaturen bei Frost-Tauwechsel im Beton be-tragen maximal -10 °C. Die meisten Frost-Tau-wechsel finden mit Tiefsttemperaturen zwischen 0 °C und -5 °C statt. Nur in Einzelfällen werdenTemperaturen darunter gemessen (s. Tabelle 5.1).

Die häufigste Abkühlrate während eines Frost-Tau-wechsels liegt bei 1 Kelvin je Stunde (1 K/h). DieMaximalwerte von 3 K/h in Tunnelwänden und von6 K/h in Brückenpfeilern werden nur vereinzelt ge-messen. Die maximale Temperaturspanne (Tempe-

21

raturhub) während der Einfrier- bzw. Auftauphaseim Beton betrug 20 K. Diese Zusammenstellungzeigt, dass die im Bauwerksbeton auftretendenTemperaturbedingungen deutlich von denen in derFrostprüfung mit dem CDF-Test abweichen (s. Ka-pitel 6.1). Die thermische Beanspruchung des Prüf-körpers im CDF-Test ist deutlich schärfer als diedes Betons im Bauwerk.

Die Anzahl der Frost-Tauwechsel im Beton liegt imMittel zwischen 30 und 60 im Jahr. Sie hängt vonder geografischen Lage des Bauwerks und örtli-chen Bedingungen, wie z. B. der Sonneneinstrah-lung auf den Bauwerksbeton oder einer Schnee-decke, ab. Schadensrelevant sind jedoch nur dieFrost-Tauwechsel mit gleichzeitigem Niederschlag.Denn Frostschäden können bei den verwendetenBetonrezepturen nur auftreten, wenn während desAuftauens Wasser von der Oberfläche mit der Mi-kroeislinsenpumpe in das Betongefüge aufgenom-men werden kann (vgl. Kapitel 2.3). Die Ergebnisseder Untersuchungen deuten darauf hin, dass dieMikroeislinsenpumpe auch im Bauwerksbeton inXF2 aktiviert werden kann [5].

Über den gesamten Beobachtungszeitraum wurdekeine Aufsättigung des Bauwerksbetons gemes-sen, wie sie im CDF-Test beobachtet wird. Die kon-tinuierliche Wasseraufnahme der Betonprüfkörperim CDF-Test ist eine Folge der schnell aufeinander-folgenden Frost-Tauwechsel in der Prüfung, aberkeine Bedingung für einen Frostschaden. In [7] wirdgezeigt, dass bei einer Unterbrechung der kapilla-ren Wasseraufnahme in der Prüfung der Scha-densmechanismus ebenfalls unterbrochen wird.Daraus wurde der Schluss gezogen, dass einSchaden im Beton nur dann fortschreitet, wennFrost-Tauwechsel und Flüssigkeitsangebot gleich-zeitig einwirken.

Schadensrelevante Frost-Tauwechsel wurden imBauwerksbeton 8- bis 13-mal pro Jahr festgestellt.Das entspricht nur rund 1/4 der gemessenen Frost-Tauwechsel. Die so bestimmte Anzahl an Frost-Tauwechseln im Beton liegt auf der sicheren Seite,denn der Gefrierpunkt wurde in der Auswertung auf0 °C gelegt. Bei Berücksichtigung der Gefrierpunkt-erniedrigung in kleinen Poren und der Erniedrigungder Gefriertemperatur durch das im Porenwasser

22

Tab. 5.1: Temperaturbeanspruchung des oberflächennahen Bauwerksbetons in XF2 im Winter als Mittelwerte pro Jahr [nach 5]. De-finiton von Frost- und Eistagen gemäß Kapitel 5.1.1

Bauwerk

Messwerte Luft amBauwerk 1) Messwerte im Bauwerksbeton

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ahl E

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Anz

ahl F

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r

[-] [-] [-] [-] [-] [K] [K/h] [K/h] [°C]

Tunnel Farchant (Garmisch Parten-kirchen)

35 100

Portal 30 2 8 ca. 12 2/1 2,5/1 -19

40 m im Tunnel 30 2

100 m im Tunnel 30 3

200 m im Tunnel 30 1

Gäubahntunnel (Stuttgart)

20 50

Portal 59 7 13 ca. 20 2/1 3/1,5 -21

40 m im Tunnel 45 2

100 m im Tunnel 40 1

Brücke Riedbüsche(Meschede)

20 60 50 10 10 ca. 15 3/1 6/1 -14

Brücke Berlin 15 40 40 4 10 ca. 15 2,5/1 6/1 -16

1) Ermittelt aus Aufzeichnungen nahe gelegener Wetterstationen des Deutschen Wetterdienstes

gelöste Chlorid würde die Frostbeanspruchung ge-ringer und dementsprechend würde die Anzahl derFrost- und Eistage im Bauwerksbeton reduziertwerden [5].

Die Ergebnisse der Messungen mit MRE und Tem-peratursensoren im Bauwerksbeton werden in denBildern 5.5 und 5.6 beispielhaft für alle Bauwerks-messungen in lotrechten Betonflächen (XF2) vonBauteilen ohne Luftporenbeton dargestellt

Im Bauwerksbeton werden jahreszeitliche Schwan-kungen mit im Winter ansteigendem und im Som-mer fallendem Sättigungsgrad gemessen. Im Som-mer wird kein Einfluss von Niederschlägen auf denSättigungsgrad festgestellt. Der Beton trocknetlangsam und gleichmäßig aus. Die Anstiege desSättigungsgrades im Winter können den Nieder-schlägen zugeordnet werden. Der Randbereich istim Sommer trockener als der innere Bereich. ImWinter liegen hingegen im Randbereich höhereSättigungsgrade vor als im inneren Bereich.

Der Sättigungsgrad steigt im Winter im Randbe-reich bis ca. 20 bis 25 mm unterhalb der Beton-oberfläche witterungsbedingt an. In den lotrechtenBauteiloberflächen (XF2) ist dann der Sättigungs-grad höher als im Sommer. In größerer Tiefe bewe-gen sich die gemessenen Sättigungsgrade in derGrößenordnung der Sättigung, die sich bei 85 % bis95 % relativer Luftfeuchte im Beton einstellt, alsoweit unterhalb einer kritischen Sättigung.

Insgesamt stellen sich im Beton der untersuchtenBauwerke vergleichbare Sättigungsgrade ein.Hohe Sättigungsgrade, die im Bereich der Sätti-gung unter Atmosphärendruck der jeweiligen Beto-ne liegen, sind unwahrscheinlich und tiefer als ca. 7mm eher selten zu erwarten. Die Gefahr einerFrostschädigung der Bauteile besteht damit nicht.

Die Wände des Tunnels Farchant wurden mit Luft-porenbeton hergestellt. Deshalb liegt der Sätti-gungsgrad unterhalb der in den anderen Bauwer-ken festgestellten Werte (siehe Bilder 5.5, 5.6 und5.9). Auch in Einzelfällen, bei denen die Aktivität derMikroeislinsenpumpe vermutet werden kann [5],liegt der Sättigungsrad des LP-Betons weit unter-halb der Sättigung unter Atmosphärendruck undnoch weiter unterhalb der schadenskritischenWerte.

Ein deutlicher Anstieg des Sättigungsgrades erfolgtmeist, wenn ein Wasserangebot durch Nieder-schlag oder auftauenden Schnee vorliegt undgleichzeitig die Beton- und Umgebungstemperatur

ansteigt und den Gefrierpunkt von Wasser (0 °C)überschreitet. Das sind die Bedingungen, unterdenen die Mikroeislinsenpumpe aktiviert werdenkann [5, 7]. Der Sättigungsgrad überschreitet dabeiallerdings nur vereinzelt und nur im oberflächenna-hen Bereich den Sättigungsgrad unter Atmos-phärendruck, siehe auch Bild 5.6. Der Sättigungs-grad unter Atmosphärendruck ist der Sättigungs-grad, der sich ohne Wirkung der Mikroeislinsen-pumpe im wassergelagerten Beton einstellt. DieseEffekte wurden bei den XF2 zugeordneten Bautei-len jedoch nur am obersten Messpunkt ca. 7 mmunter der Betonoberfläche und nur vereinzelt fest-gestellt.

Über den Sättigungsgrad der Betonoberfläche biszu 7 mm Tiefe kann zwar keine messtechnisch ab-gesicherte Aussage getroffen werden, aber es er-scheint gerechtfertigt, in diesen Fällen auch dorteine Sättigung mindestens so hoch wie in 7 mmTiefe anzunehmen. Theoretisch könnte in dieser

23

Bild 5.5: Verlauf des Sättigungsgrades und der Betontempera-tur, die über 3,5 Winter an der Unterseite des Holkas-tens des Überbaus der Brücke in Berlin, A 10, be-stimmt wurden [5]

Bild 5.6: Verlauf des Sättigungsgrades und der Betontempera-tur, die über 3,5 Winter am Brückenpfeiler der Brückein Berlin, A 10, bestimmt wurden [5]

Oberflächenschicht der kritische Sättigungsgraddes Betons als Folge der Aktivität der Mikroeislin-senpumpe erreicht werden. Frostschäden sind je-doch an den Bauteiloberflächen nicht aufgetreten.

So hohe Sättigungsgrade in 7 mm Tiefe unterhalbder Oberfläche von XF2-Bauteilen wie in Bild 5.6dargestellt wurden im Beobachtungszeitraum von 4Wintern 1- bis 2-mal gemessen.

5.3 Temperatur und Sättigungsgrad inBauwerksbeton in XF4

Bauwerksmessungen zu Betontemperatur und Sät-tigungsgrad in der Expositionsklasse XF4 erfolgtenan einer Brückenkappe. In eine Kappe der BrückeRiedbüsche waren gleichzeitig mit Pfeiler undÜberbau eine Multiringelektrode (MRE) und Tem-peratursensoren eingebaut worden. Die Sensorenwurden nachträglich in Bohrlöcher versenkt. DerKontakt zwischen Beton und MRE wurde mit einemAnkopplungsmörtel hergestellt [6]. Die BrückeRiedbüsche bei Meschede überführt eine Kreis-straße, die nach Auskunft der Autobahnmeistereigerne als Abkürzung benutzt und im Winter mit Tau-salz eisfrei gehalten wird.

Die Ausführungen in Kapitel 5.2 zu Unterschiedenzwischen den Wetterdaten einer nahe gelegenenWetterstation und den im Bauwerksbeton be-stimmten gelten für die Brückenkappe gleicherwei-se. Die an der Brückenkappe ermittelte Tempera-turbeanspruchung ist in Tabelle 5.2 zusammenge-stellt.

Wie auch an den Brückenbauteilen in XF2 wird dietiefste Betontemperatur (hier -15 °C) an einem Eis-tag bestimmt. Die tiefste Temperatur im Zusam-menhang mit einem Frost-Tauwechsel beträgt -10°C. Am häufigsten traten Frost-Tauwechsel mit Tiefsttemperaturen zwischen 0 und -5 °C auf. Tem-peraturhub und Abkühlrate der Brückenkappe inXF4 unterscheiden sich im oberflächennahen Be-reich nicht von den Werten, die in den XF2-Bautei-len bestimmt wurden. Allerdings ist die Anzahl derFrost-Tauwechsel mit Niederschlag im Kappenbe-ton deutlich höher als in den vertikal ausgerichtetenBetonbauteilen. Dies kann auf die vorwiegend hori-zontale Ausrichtung der Kappenoberfläche und dasEindringen von Schmelzwasser aus dem aufliegen-den Schnee in den Beton zurückgeführt werden.Wie auch im Portal des Gäubahntunnels (s. Kapitel5.2) treten durch die Sonneneinstrahlung in derKappe Frosttage häufiger auf als in Pfeiler undÜberbau. Die schadensrelevanten Frost-Tauwech-sel treten in der Brückenkappe in XF4 im Mittel desBeobachtungszeitraums rd. 30 % häufiger auf alsan den Bauteilen in XF2. Sie betragen rd. 50 % allerFrost-Tauwechsel in XF4. Das Eindringen desSchmelzwassers aus Schnee in eine Betonober-fläche konnte in [7] durch Messungen mit MRE undTemperatursensoren nachvollzogen werden, sieheBild 5.7. Dargestellt ist die Messung in der lotrech-ten Oberfläche (XF2) eines ausgelagerten Prüfkör-pers. Der teilweise durch Tauvorgänge als Nass-schnee vorliegende Schnee lag über einen Zeit-raum von 7 Tagen direkt an der Betonoberflächean, sodass Wasser kapillar eindringen konnte. DerSchnee war sozusagen zwischen Schutzplanke

24

Tab. 5.2: Temperaturbeanspruchung des oberflächennahen Bauwerksbetons in XF2 und XF4 an der Brücke Meschede im Winterals Mittelwerte pro Jahr (nach [5, 6]). Definiton von Frost- und Eistagen gemäß Kapitel 5.1.1

Bauwerk

Messwerte Luft amBauwerk 1) Messwerte im Bauwerksbeton

Anz

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Anz

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[-] [-] [-] [-] [-] [K] [K/h] [K/h] [°C]

Brücke Riedbüsche(Meschede)

20 60

Pfeiler und Überbau(XF2)

50 10 10 ca. 15 3/1 6/1 -14

Brückenkappe (XF4) 68 13 35 ca. 15 5/1 5/1 -15

1) Ermittelt aus Aufzeichnungen nahe gelegener Wetterstationen des Deutschen Wetterdienstes

und Probekörper eingeklemmt. Der gemessene Wi-derstand, der an der Ordinate im Bild 5.7 aufgetra-gen ist, wird mit zunehmendem Wassergehalt bzw.Sättigungsgrad kleiner.

Die Ergebnisse der Messungen mit MRE und Tem-peratursensoren im Bauwerksbeton der Kappe inXF4 sind in Bild 5.8 über den gesamten Messzeit-raum dargestellt.

Im Bauwerksbeton der Kappe in XF4 werden keinejahreszeitlichen Schwankungen des Sättigungsgra-des festgestellt. Auch Niederschläge beeinflussenden Sättigungsgrad des Betons nicht. Nur der 7 mm unterhalb der Betonoberfläche bestimmteSättigungsgrad scheint geringfügig von Witterungs-einflüssen beeinflusst zu sein (s. Bild 5.8). Der Sät-tigungsgrad weist 7 mm unterhalb der Betonober-fläche die geringsten Werte auf und nimmt mit zu-

nehmender Tiefe zu. Die Sättigungsgrade liegen je-doch immer deutlich unterhalb der Sättigung unterAtmosphärendruck, sodass ein schadensrelevanterSättigungsgrad nicht erreicht wird. Der niedrigeSättigungsgrad in der nahezu horizontal ausgerich-teten Brückenkappe ist plausibel, denn die Brü-ckenkappe ist mit LP-Beton hergestellt worden.

Die Messwerte im Kappenbeton geben keinen Hin-weis auf eine Aktivierung der Mikroeislinsenpumpe,obwohl die dafür typischen Witterungsrandbedin-gungen (Anstieg der Betontemperatur über 0 °C inKombination mit Niederschlägen oder auftauendemSchnee) gegeben sind. Hier stellt sich die Frage, obdie Kalibriermethode der nachträglich eingebautenMRE an ihre Grenze stößt oder ob die unterschiedli-che Wasseraufnahmegeschwindigkeit von Ankopp-lungsmörtel und Kappenbeton die Messung der Ak-tivierung der Mikroeislinsenpumpe verhindert [6].

Die Veränderung des Sättigungsgrades des Kap-penbetons in Bild 5.8 wird nach [6] dennoch richtigwiedergegeben. Vergleichbar gleichmäßige Verläu-fe wurden ausschließlich an Messpunkten mithohem Sättigungsgrad im Bereich einer XF3- undXF4-Beanspruchung beobachtet [17].

5.4 Unterschiede der Beanspruchungbei hoher (XF4) und bei mäßiger(XF2) Wassersättigung

Als eines der Ergebnisse der Untersuchungen fürdas Prüfverfahren für Beton in XF2 [7] werden dieBegriffe ‚mäßige‘ und ‚hohe‘ Wassersättigung alsmissverständlich bezeichnet. Korrekter wäre es,von einem weniger häufigen Angebot von Wasserbzw. Taumittellösung in der Expositionsklasse XF2im Vergleich zur Expositionsklasse XF4 zu spre-chen. Das bedeutet aber nicht, dass in der Praxisbei XF2 nicht zeitweise der kritische Sättigungsgradüberschritten werden kann. Man muss davon aus-gehen, dass bei „mäßiger Wassersättigung“ XF2die Austrocknungsphasen ausgeprägter sind als in„hoher Wassersättigung“ XF4 und dass daher dieSchädigungsphase, also Phasen, in denen gleich-zeitig eine hohe Wassersättigung vorliegt undFrost-Tauwechsel auftreten, seltener ist. Daher istder Zeitfaktor der entscheidende Unterschied fürdas Frost-Tau-Wechsel-Beanspruchungskollektiv inXF2 bzw. XF4. Der Zeitfaktor bewirkt, dass Betone,die unter XF4 in einem sehr frühen Stadium erheb-lich geschädigt würden, unter XF2 deutlich verlän-gerte Lebensdauern haben [7].

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Bild 5.7: Verlauf der gemessenen Widerstände an Ring 1 derMRE (Tiefe = 40 mm), Ring 4 (Tiefe = 20 mm) undRing 8 (außen); Auslagerung Farchant ExpositionXF2. Ausschnitt mit Schnee an der Betonoberfläche[7]

Bild 5.8: Verlauf des Sättigungsgrades und der Betontempera-tur, die über 3 Winter in der Brückenkappe der BrückeMeschede, A 46, bestimmt wurden. Die Brückenkappeist aus LP-Beton [6]

Die Untersuchungen an den Betonbauwerken zei-gen ebenfalls, dass schadensrelevante Unterschie-de im Sättigungsgrad zwischen Beton in der Expo-sitionsklasse XF2 und XF4 bestehen.

In der Expositionsklasse XF2 wird die Aktivierungder Mikroeislinsenpumpe beobachtet: Nur in selte-nen Fällen, in der vorliegenden Untersuchung 1- bismaximal 2-mal pro Jahr, wird ein Sättigungsgradbeobachtet, der den freiwilligen Sättigungsgrad(Sättigungsgrad unter Atmosphärendruck) des Be-tons überschreitet und das Erreichen des kritischenSättigungsgrades möglich werden lässt. Im restli-chen Zeitraum des Jahres ist der aktuelle Sätti-gungsgrad des Betons kleiner als der natürlicheSättigungsgrad. Die Aktivierung der Mikroeislinsen-pumpe scheint auf die ersten rd. 7 mm bis 12 mmdes Betons beschränkt zu sein [5]. Diese Beobach-tungen am Bauwerksbeton stimmen mit der Inter-pretation der mäßigen Wassersättigung XF2 aus [7]überein. Auch in XF2 kann oberflächennah der kri-tische Sättigungsgrad bei Frost-Tauwechseln über-schritten werden, allerding eher seltener als in XF4in vergleichbarem Beton ohne Luftporen.

In der Expositionsklasse XF4 liegt in der Praxisimmer Luftporenbeton vor. Die Luftporen erhöhenden Porenraum des Betons, sodass eine kritischeWassersättigung nicht erreicht werden kann (s. Ka-pitel 2.3). Die Messungen in der Brückenkappe be-stätigen dies, es werden keine Effekte festgestellt,die auf eine Aktivierung der Mikroeislinsenpumpehindeuten.

Zur Erörterung der Frage, ob der Luftporenbetondie Ursache für den nahezu gleichmäßigen Verlaufder Feuchte in der Expositionsklasse XF4 ist, wirdim Folgenden die Messung an der Brückenkappe(Bild 5.8) mit der Messung im Luftporenbeton desTunnels Farchant in XF2 verglichen (Bild 5.9).

In Luftporenbeton in XF2 wird kein so gleichmäßi-ger Verlauf des Sättigungsgrades beobachtet wie inXF4. Im Luftporenbeton in XF2 sind in den Winter-perioden Schwankungen im Sättigungsgrad festzu-stellen (Bild 5.9). Vereinzelt erinnern die plötzlichenAnstiege des Sättigungsgrads bei tiefen Tempera-turen an die Aktivierung der Mikroeislinsenpumpeim Beton ohne Luftporen (Bild 5.6).

In der Expositionsklasse XF2 ist der Sättigungsgraddes oberflächennahen Betons in der Winterperiodegrößer als der Sättigungsgrad in größerer Tiefe desBauteils (Bilder 5.5 und 5.6). In der Expositions-klasse XF4 wird genau das Gegenteil beobachtet.

Der Sättigungsgrad des oberflächennahen Betonsist im Winter kleiner als der Sättigungsgrad ingrößerer Tiefe des Bauteils (Bild 5.8). Diese Beob-achtung in der Brückenkappe wird nach [6, 17]durch Messungen an Wasserbauwerken mit hoherWassersättigung in XF3 bzw. XF4 bestätigt. Auchim Luftporenbeton in der Expositionsklasse XF2wird der Sättigungsgrad des in 7 mm Tiefe liegen-den Messpunktes kleiner bestimmt als in größererBetontiefe (Bild 5.9).

6 Prüfverfahren für den Frost-Tausalz-Widerstand von Beton

6.1 Prüfverfahren für Beton in XF4

Zur Überprüfung des Frost-Tausalz-Widerstandeseines Betons für die Expositionsklasse XF4, des-sen Ausgangsstoffe und Herstellung den ZTV-ING[4] und den Normen [3] entsprechen, ist das CDF-Verfahren [18] in Deutschland gut eingeführt. Un-tersuchungen im Rahmen des Forschungsschwer-punktes „Übertragbarkeit von Frost-Laborprüfun-gen auf Praxisverhältnisse“ des Deutschen Aus-schusses für Stahlbeton (DAfStb) haben die Eig-nung des CDF-Verfahrens zur Beurteilung vonBeton in der Expositionsklasse XF4 bestätigt.

Mit dem CDF-Verfahren kann die Eignung einer Be-tonmischung über die Prüfung der geforderten Ei-genschaften beurteilt werden. Die Prüfung erfolgtan einem Prüfkörper im Labor und nicht am Bau-werksbeton, sodass das CDF-Verfahren ein Prüf-verfahren nach dem so genannten Lab-Performan-

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Bild 5.9: Verlauf von Sättigungsgrad und Temperatur in einemLuftporenbeton in XF2 [5]

ce-Concept ist. Der Nachweis der geforderten Ei-genschaften gilt jedoch nur mit Einschränkungen.Mit dem CDF-Verfahren wird der physikalischeSchädigungsmechanismus eines Frost-Tausalz-Angriffs (siehe Kapitel 2.2) erfasst. Wie weit derchemische Schädigungsmechanismus mit diesemPrüfverfahren erfasst werden kann, ist noch nichtabschließend beantwortet worden.

Bei den meisten Bauteilen ist die Fläche, an derFlüssigkeit und Temperatur auf den Beton einwir-ken können, relativ ausgedehnt und eben.Während einer Frostbelastung des Bauwerksbe-tons dringt deshalb in der Abkühlphase eine Kälte-welle parallel zur Betonoberfläche ein und währendder Auftauphase eine Wärmewelle. Die Flüssigkeitbewegt sich in derselben Richtung. Der Wärme-und Feuchtetransport ist eindimensional undgleichgerichtet. Nur dann kann das Frostsaugen,eine Folge der Aktivierung der Mikroeislinsenpum-pe, auftreten [7].

Das CDF-Verfahren ist so konzipiert worden, dassdas Prinzip der Frost-Tauwechsel-Bedingungen inrealen Bauteilen abgebildet wird. Die gesamte Prüf-einrichtung, eine speziell ausgerüstete Klimatruhe,ist so konzipiert, dass der Wärme- und Feuchte-transport im Prüfkörper eindimensional erfolgt. DerTemperaturzyklus beginnt bei +20 °C und fällt mit10 K/h auf -20 °C ab. Die Haltezeit der Temperaturvon -20 °C beträgt 3 Stunden. Anschließend steigtdie Temperatur mit 10 K/h auf +20 °C an, wo sie für1 Stunde gehalten wird. Die Zeit für einen Frost-Tau-Zyklus beträgt 12 Stunden, sodass die Prüf-dauer für die festgelegten 28 Frost-Tau-Wechselangemessen kurz ist. Die festgelegte Prüfkörper-höhe von 70 mm sichert einen Wärmefluss adäquatzur Realität [7, 8].

Die Frostprüfung erfolgt an Beton, der bis zumnatürlichen Sättigungsgrad durchfeuchtet ist undsomit eine hohe Wassersättigung aufweist. Vor derFrostprüfung nimmt der Beton über 7 Tage die Prüf-flüssigkeit, eine 3%ige NaCl-Lösung, kapillar auf.Während der Frost-Tau-Zyklen wird die Mikroeislin-senpumpe aktiviert und der Beton nimmt darüberhinaus weitere Prüfflüssigkeit auf. Der Sättigungs-grad des Prüfkörpers wird dadurch über den natür-lichen Sättigungsgrad (Sättigungsgrad ohne Frostoder erhöhten Druck) hinaus erhöht. Gefügeschädi-gungen treten dann auf, wenn der kritische Sätti-gungsgrad des Betons überschritten ist (siehe hier-zu auch Kapitel 2.3).

Werden Betone geprüft, deren w/z-Wert den Nor-men für XF4 entspricht, tritt die Schädigung in Formvon Abwitterungen auf.

Werden Betone ohne Luftporen geprüft, deren w/z-Wert höher und deren Festigkeit geringer ist, kön-nen sich im Prüfkörper, als Folge der Überschrei-tung der Zugfestigkeit während der Prüfung, Rissebilden, bevor signifikante Abwitterungen gemessenwerden.

6.2 Prüfverfahren für Beton in XF2

Das Prüfverfahren für Beton in der Expositionsklas-se XF2 wurde im Rahmen des ForschungsprojektsFE 15.367/2002/DRB [7] erarbeitet. Ein Prüfverfah-ren zur Beurteilung der Eignung eines Betons überdie Prüfung der geforderten Eigenschaften, d. h. einPrüfverfahren nach dem Performance Concept,muss demnach zwei Aufgaben lösen:

• Der Angriff, der einer Expositionsklasse zugrun-de gelegt ist, muss sicher simuliert werden.Dabei soll die schädigende Beanspruchungaber so simuliert werden, dass innerhalb eineskurzen Zeitraums, d. h. innerhalb der Eignungs-prüfung von 28 Tagen, die Beurteilung der Dau-erhaftigkeit des Betons unter realen Beanspru-chungen möglich ist. Um diese Anforderung zuerfüllen, muss die Schädigung in der Prüfungschneller erfolgen als in der Praxis. Das bedeu-tete aber auch, dass die Beanspruchung in derPrüfung intensiver bzw. schärfer sein muss alsin der Praxis und dabei dennoch den Schädi-gungsmechanismus realistisch simulierenmuss.

• Das Verfahren muss verlässliche Ergebnisse er-zeugen, die auch von der Prüfstelle und vomPrüfer so weit als möglich unabhängig sind, d. h., die Präzision gemäß ISO 5725 muss nach-gewiesen sein.

Das Prüfverfahren ist damit ein Werkzeug, das dieNaturgesetze beachtet, die zum Schaden führen.Es bildet, ebenso wie das deskriptive Verfahren derNormen, nur den zulässigen Extremfall ab [7].

Daraus folgt aber auch, dass die Prüfung des Frost-Tausalz-Widerstandes von Beton bei „mäßiger“Wassersättigung XF2 zu einer entsprechendenSchädigung des Prüfkörpers in der Prüfung führenmuss. Nur dann können die Bewertungskriterien sofestgelegt werden, dass die Eignung des Betons in

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der Praxis richtig erfasst wird, d. h., wenn eine kriti-sche Wassersättigung in XF2 nur im oberflächen-nahen Bereich und nicht so häufig auftritt wie beihoher Wassersättigung XF4 in einem vergleichba-ren Beton ohne Luftporen.

Ausgehend vom CDF-Verfahren XF4 wurden imRahmen des Forschungsprojektes [7] Untersu-chungen in Form von Parametervariationen durch-geführt, mit denen das Prüfverfahren so abge-schwächt wird, dass eine Beurteilung eines Betonsfür XF2 möglich ist. Das CDF-Verfahren XF4 erfülltdie Anforderung nach der richtigen Erfassung desSchädigungsmechanismus und die Präzision desVerfahrens gemäß ISO 5725 ist nachgewiesen [18](siehe hierzu auch Kapitel 6.1).

Zur Abschwächung des Frost-Tausalz-Angriffs inder Prüfung wurden mit dem Ziel der Reduzierungder Wasseraufnahme der Prüfkörper untersucht:

• die Lagerung der Prüfkörper bis zur kapillarenWasseraufnahme in Folie anstelle von Wasser-lagerung und

• die Verkürzung der Dauer der kapillaren Was-seraufnahme von 7 auf 2 Tage.

Diese beiden Maßnahmen führen nicht zum Ziel,weil das Frostsaugen in der Prüfung die reduziertekapillare Wasseraufnahme kompensiert.

Mit dem Ziel, der Reduzierung der Schädigungsge-schwindigkeit in der Prüfung wurden untersucht:

• die Prüfkörper zeitweise ohne Prüflösung derFrost-Tau-Wechselbeanspruchung auszusetzen(Wechsellagerung) anstelle von kontinuierlicherFrost-Tau-Wechselbeanspruchung mit Prüflö-sung,

• eine Veränderung der NaCl-Konzentration derPrüflösung zu kleineren und größeren Wertenals 3 %,

• die Erhöhung der Minimaltemperatur in der Prü-fung von -20 °C auf -10 °C sowie

• Kombinationen von NaCl-Konzentration und Mi-nimaltemperatur.

Die Wechsellagerung führt zu dem Ergebnis, dassdurch eine Unterbrechung der Feuchtaufnahmewährend der Befrostung die Schädigung unterbro-chen wird, die Schädigungsgeschwindigkeit abergleich bleibt. Das heißt, der Beton trocknet in Frost-Tau-Wechseln aus, wenn keine Prüflösung ansteht.Er nimmt beim nächsten Angebot von Prüflösung in

den Frost-Tau-Wechseln mit derselben Geschwin-digkeit die Lösung auf wie in der Prüfung ohne Un-terbrechung der Aktivität der Mikroeislinsenpumpe.Diese Erkenntnis ist für den Schädigungsprozess inXF2 in der Praxis von Bedeutung, führt jedoch beider Suche nach geeigneter Abschwächung desPrüfverfahrens nicht zum Ziel.

Die Variationen der NaCl-Konzentration der Prüflö-sung zwischen 3 % und 8 % verlangsamt der Scha-densverlauf und reduziert die Abwitterungen, so-dass eine Unterscheidung verschiedener Beton-qualitäten erst nach längerer Prüfdauer möglichwird. Höhere Konzentrationen als 8 % reduzierendie Schädigung so stark, dass keine Unterschei-dung der Betonqualitäten mehr möglich ist. EineReduzierung der NaCl-Konzentration auf Wertezwischen 0,1 und 1 % reduziert zwar die Schädi-gung. Die Einstellung einer solch niedrigen Kon-zentration über den gesamten Prüfzeitraum ist je-doch im Labor schwierig. Beträgt die NaCl-Konzen-tration zwischen 1 % und 3 % wird in der Prüfungein Schadensmaximum erreicht, womit Untersu-chungen von [19] ergänzt werden, in denen dasSchädigungsmaximum für 3%ige NaCl-Lösung be-stimmt wurde.

Zielführend ist die Anhebung der Minimaltempera-tur von -20 °C auf -10 °C. Die Abwitterung in derPrüfung wird in Abhängigkeit von der Betonqualitätreduziert und die Aufnahme der Prüfflüssigkeit wirdzeitlich verzögert.

Bei den Kombinationen von Anhebung der Minimal-temperatur auf -10 °C und Veränderung der NaCl-Konzentration stellt sich heraus, dass bei dieserMindesttemperatur und höheren NaCl-Konzentratio-nen als 3 % die Eisbildung in der Prüfung ausbleibtund die Schädigung zu sehr abgeschwächt ist.

Als wirksamste Maßnahmenkombination zur Ab-schwächung des CDF-Verfahrens XF4 für die Prü-fung von Betonen für XF2 ergibt sich die Anhebungder Mindesttemperatur auf -10 °C unter Beibehal-tung der NaCl-Konzentration der Prüflösung von 3 %.

Das „modifizierte Prüfverfahren XF2“, die modifi-zierte CDF-Prüfung XF2, übernimmt die Konzepti-on, die Prüfeinrichtung und die Prüfkörperpräpara-tion des CDF-Verfahrens. Geändert ist Folgendes:

• Die Minimaltemperatur der Frost-Tau-Zyklen be-trägt -10 °C.

• Die Prüfdauer beträgt 14 Frost-Tauwechsel.

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• Das Abnahmekriterium, d. h. die maximal zuläs-sige Abwitterung, muss angepasst werden(siehe auch Kapitel 7.2).

Der Temperaturzyklus des modifizierten CDF-Ver-fahrens XF2 beginnt bei +20 °C und fällt mit 10 K/hauf -10 °C ab. Die Haltezeit der Temperatur von -20 °C beträgt 5 Stunden. Anschließend steigt dieTemperatur mit 10 K/h auf +20 °C an, wo sie für 1Stunde gehalten wird.

Die Laboruntersuchungen zeigen, dass in den Prü-fungen von Betonen mit dem modifizierten CDF-Verfahren XF2 deutlich geringere Abwitterungen er-mittelt werden als mit dem CDF-Verfahren XF4.Eine klare Trennung zwischen Betonen mit einemnormgemäßen w/z-Wert von 0,50 und Betonen miteinem darüberliegenden w/z-Wert wurde festge-stellt [7].

Mit dem modifizierten CDF-Verfahren (XF2) könnenverschiedene Betonqualitäten unterschieden wer-den und es ist möglich, Betonzusammensetzungen,die nach Norm für XF2 geeignet sind, von solchenzu unterschieden, die nicht für XF2 geeignet sind.Die Abwitterung in der Prüfung darf 3.000 kg/m2

nicht überschreiten, weil dann aufgrund der starkenSchädigung des Prüfkörpers die Streuung der Er-gebnisse zu groß wird. Für eine Abwitterung in derPrüfung von 1.500 g/m2 nach 28 Frost-Tau-Wech-seln liegen für XF4-Betone Präzisionsdaten vor [7].

7 Bewertung von Beton mit denPrüfverfahren

7.1 Beton in der ExpositionsklasseXF4

Im Rahmen des Forschungsvorhabens [7] wurdenBetone hinsichtlich ihres Verhaltens in der Expositi-onsklasse XF4 und XF2 untersucht. Hierzu wurdenBetone hergestellt, die aufgrund ihrer Zusammen-setzung entweder der Expositionsklasse XF4 oderder Expositionsklasse XF2 entsprachen oder nurfür geringere Klassen als XF2 geeignet sind, d. h.nicht für XF2 geeignet sind. An den Betonen wur-den Untersuchungen im Labor durchgeführt und eswurden Prüfkörper derselben Zusammensetzungim Mittelstreifen von 4-spurigen stark befahrenenStraßen der Beanspruchung durch Witterung undVerkehr ausgesetzt, siehe auch Kapitel 4. Die Prüf-körper für die Expositionsklasse XF4 wurden so ge-lagert, dass die horizontal ausgerichtete Beton-

fläche mit Spritzwasser und Sprühnebel ausStraßenverkehr beaufschlagt wurde. Durch denVergleich der Schädigung im Labor und in der Pra-xis sollte die Korrelation zwischen der Belastung imRahmen der Frostprüfung im Labor und der Ausla-gerung unter Witterung und Verkehr untersuchtwerden.

Im Rahmen der Auslagerungsversuche wurden je-weils 5 Probekörper einer Betonzusammensetzungbei Meschede im Sauerland über 3 und bei Far-chant nahe Garmisch-Partenkirchen über 4 Winter-perioden hinweg auf Schäden und Schadensent-wicklung untersucht. In regelmäßigen Intervallenwurden die Masse der Probekörper sowie die inne-re Schädigung bestimmt und die Schädigung derexponierten Oberfläche wurde visuell erfasst.

Die Ergebnisse der Laborprüfung zeigen, dass Be-tone, die gemäß der normativen Vorschriften fürXF4 hergestellt worden waren, in der CDF-Prüfung(XF4) die Anforderungen für XF4, höchstzulässigeAbwitterung nach 28 Frost-Tauwechseln 1.500g/m2, erfüllen. Auch dann, wenn die von der Normgeforderte Mindestdruckfestigkeitsklasse C30/37nicht erreicht worden war [7]. Die Anforderungen andie Betonzusammensetzung sind nach Norm [3]und ZTV-ING 3-1 [4] gleich. Die Mindestbeton-festigkeitsklasse beträgt nach ZTV-ING 3-1 jedochC25/30 und weicht damit von der Norm ab.

Allerdings besteht auch ein Luftporenbeton mitCEM-I-32,5R-Zement und w/z = 0,60 ebenfalls denCDF-Test (XF4). Dieser Beton wäre aufgrund desw/z-Wertes nach Norm nicht für XF4 geeignet. Hierscheint sich der w/z-Wert nachrangig zum Vorhan-densein von Luftporen auszuwirken [7]. Verglichenmit den zulässigen Zementen für XF4 ist der Klin-keranteil dieses Zementes hoch. Der Zement stelltauch nicht den gerade noch zulässigen Extremfallder gemäß Norm geeigneten Zusammensetzungdar.

Die Untersuchungen während der Auslagerungunter XF4-Bedingungen zeigen, dass keine Redu-zierung des dynamischen E-Moduls infolge der Ver-kehrs- und Witterungsbeanspruchung erfolgt. Gefü-geschäden werden somit nicht registriert. An derOberfläche von Betonen mit Luftporenbildnern wur-den sehr geringe Schädigungen festgestellt. Eswaren oberhalb kleiner Zuschläge Abplatzungen zuerkennen. Dagegen wiesen Betone, die ohne Luft-porenbildner hergestellt worden waren, deutlicheSchädigungen in Form größerer Abplatzungen derOberfläche auf.

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Das Ergebnis der Untersuchungen ist, dass Beto-ne, die mit dem CDF-Verfahren (XF4) als geeignetfür die Expositionsklasse XF4 beurteilt werden,keine bis sehr geringe Schädigungen der Ober-fläche aufweisen. Dazu gehört allerdings auch einLuftporenbeton, dessen w/z-Wert nicht der Normentsprach. Alle Betone ohne Luftporenbilder, diesomit nicht normgemäß zusammengesetzt waren,weisen in der Auslagerung über 4 Winter Schädenauf, die sich über die Anzahl der Winter aufsum-mieren.

Zusammen mit den Ergebnissen weiterer Untersu-chungen im Forschungsschwerpunkt „Übertragbar-keit von Frost-Laborprüfungen auf Praxisverhältnis-se“ des Deutschen Ausschusses für Stahlbeton(DAfStb) [20] wird bestätigt, dass ein Beton für dieExpositionsklasse XF4 geeignet ist, wenn diezulässige Abwitterung von 1.500 g/m2 nach 28Frost-Tauwechseln in der Prüfung mit dem CDF-Verfahren (XF4) nicht überschritten wird und gleich-zeitig die Ausgangstoffe die Anforderung der Nor-men erfüllen.

7.2 Beton in der ExpositionsklasseXF2

Im Rahmen des Forschungsvorhabens [7] wurdenBetone hinsichtlich ihres Verhaltens in der Expositi-onsklasse XF4 und XF2 untersucht. Hierzu wurdenBetone hergestellt, die aufgrund ihrer Zusammen-setzung entweder der Expositionsklasse XF4 oderder Expositionsklasse XF2 entsprachen oder nurfür geringere Klassen als XF2, d. h. nicht für XF2,geeignet sind. An den Betonen wurden Untersu-chungen im Labor durchgeführt und es wurdenPrüfkörper derselben Zusammensetzung im Mittel-streifen von 4-spurigen stark befahrenen Straßender Beanspruchung durch Witterung und Verkehrausgesetzt, siehe auch Kapitel 4. Die Prüfkörper fürdie Expositionsklasse XF2 wurden so gelagert,dass die lotrecht ausgerichtete Betonfläche mitSpritzwasser und Sprühnebel aus Straßenverkehrbeaufschlagt wurde. Durch den Vergleich der Schä-digung im Labor und in der Praxis sollte die Korre-lation zwischen der Belastung im Rahmen derFrostprüfung im Labor und der Auslagerung unterWitterung und Verkehr untersucht werden.

Im Rahmen der Auslagerungsversuche wurden je-weils 5 Probekörper einer Betonzusammensetzungbei Meschede im Sauerland über 3 und bei Far-chant nahe Garmisch-Partenkirchen über 4 Winter-

perioden hinweg auf Schäden und Schadensent-wicklung untersucht. In regelmäßigen Intervallenwurden die Masse der Probekörper sowie die inne-re Schädigung bestimmt und die Schädigung derexponierten Oberfläche wurde visuell erfasst.

Während der Dauer der Auslagerung wurden keineGefügeschäden in den Betonen festgestellt. Derdynamische E-Modul der Prüfkörper nahm auch beiden Betonen ohne Luftporen infolge der Verkehrs-und Witterungsbeanspruchung nicht ab.

Die Oberfläche der gemäß der ExpositionsklasseXF2 ausgelagerten Prüfkörper wies teilweise Schä-digungen auf. Die Schädigungen einer Probekör-perserie traten bei Würfeln gleicher Serie jeweilssehr gleichmäßig intensiv auf [7].

Schädigungen der exponierten Oberfläche wiesendie Betone auf, die aufgrund ihrer Zusammenset-zung nicht den ZTV-ING 3-1 [4] und nicht den Nor-men [3] entsprechen. Auch in der Expositionsklas-se XF2 nimmt der Schädigungsgrad mit zuneh-mender Anzahl der Winter kumulativ zu. Eine Auf-sättigung der Oberfläche über die Auslagerungs-dauer wurde hier wie auch im Bauwerksbeton (vgl.Kapitel 5.2) nicht beobachtet. Die Schädigung derBetone mit CEM-II/A-LL- und CEM-III/A-Zemententritt zu einem früheren Zeitpunkt auf als die der Be-tone mit CEM-I-Zement. Die Festigkeitsklasse derZemente betrug 32,5R und für die CEM-III/A-Ze-mente 32,5. Daraus lässt sich ableiten, dass dieBetone mit CEM-I-Zementen eine etwas höhereReserve gegen Schädigungen aufweisen, wenn dieKapillarporosität nicht normgemäß ist.

Keine Schädigungen in der Auslagerung wiesenBetone auf, deren Zusammensetzung den ZTV-ING 3-1 [4] für XF2 entsprechen. Gegenüber denNormen ist in ZTV-ING auch für Luftporenbeton derw/z-Wert auf maximal 0,50 begrenzt. Diese Ergeb-nisse bestätigen, dass in der ExpositionsklasseXF2 kein Luftporenbeton erforderlich ist, um Betonmit einem guten Frost-Tausalz-Widerstand herzu-stellen.

Allerdings wies, wie in der Expositionsklasse XF4(Kapitel 7.1), auch Beton mit CEM-I-32,5R-Zementmit einem nicht normgemäßen w/z-Wert von 0,60sowohl mit als auch ohne Luftporen keine Schädenauf. Dieser Zusammenhang muss beachtet wer-den, wenn in Zukunft allein das modifizierte CDF-Verfahren XF2 zur Prüfung der Eignung eines Be-tons herangezogen werden sollte.

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Im Rahmen der Prüfung mit dem modifiziertenCDF-Verfahren XF2 zeigten die Betone, die nichtnormgemäß und gemäß ZTV-ING zusammenge-setzt waren, deutlich höhere Abwitterungen als Be-tone mit XF2-Zusammensetzung. Betone mit w/z-Wert von 0,50 (ZTV-ING-gemäß) weisen nach 14Frost-Tau-Wechseln eine Abwitterung unterhalbvon 1.500 g/m2 auf. Nicht norm- und ZTV-ING-gemäß zusammengesetzte Betone mit höheremw/z-Wert weisen Abwitterungen auf, die deutlichhöher liegen. Allerdings weisen einzelne Betone inder Auslagerung unter XF2-Bedingungen keineSchäden auf, die in der Prüfung höhere Abwitterun-gen als 1.500 g/m2 zeigten (s. o.).

Eine abschließende Beurteilung der Betone mitdem modifizierten CDF-Verfahren XF2 ist aufgrundder vorliegenden Untersuchungen allerdings nichtmöglich. Es treten Widersprüche zwischen demSchadensbild von Betonen in der Auslagerung undder Höhe der Abwitterungen im modifizierten CDF-Test XF2 auf. Zur endgültigen Festlegung eines Ab-nahmekriteriums liegen zurzeit zu wenige Ergeb-nisse von unterschiedlich zusammengesetzten Be-tonen vor. Hier ist weiterer Forschungsbedarf gege-ben.

7.3 Schadensbild von Beton in XF2

An ausgewählten Betonen wurde mit Multiringelek-troden (MRE) die Widerstandverteilung in den aus-gelagerten Würfeln bis in eine Tiefe von 40 mm er-mittelt. In denselben Tiefen wurde die Temperaturbestimmt, sodass die temperaturkompensierten Wi-derstände betrachtet werden. Wie in Kapitel 5 dar-gestellt, weisen Beton mit hohem Wassergehalteinen geringen elektrolytischen Widerstand undBeton mit niedrigem Wassergehalt einen hohenelektrolytischen Widerstand auf. Die Messung desWiderstands beginnt ca. 7 mm unterhalb der Beton-oberfläche.

Während der Auslagerung im Mittelstreifen der starkbefahrenen Straßen wurden bei den XF2-Prüfkör-pern in 7 mm Tiefe Widerstände ermittelt, die einergeringen Wassersättigung des Betons entsprechen.Aufgrund eines solch geringen Sättigungsgradeswäre kein Frost-Tausalz-Schaden zu erwarten ge-wesen. Dennoch wiesen die in unmittelbarer Nach-barschaft ausgelagerten Prüfkörper zum Teil gravie-rende Oberflächenschäden auf. Dies lässt denSchluss zu, dass die kritische Sättigung nur in deräußersten Randzone des Betons erreicht wird, die

durch die Multiringelektrode aufgrund ihrer gering-sten Tiefenlage von ca. 7 mm unter der Betonober-fläche nicht messbar ist. Durch den starken Feuch-tegradient in der obersten Randzone des Betons er-folgt auch nur dort eine Schädigung [7].

Im Laborversuch mit dem modifizierten CDF-Ver-fahren XF2 ist aufgrund der fortlaufenden Sättigungund der nicht gegebenen Austrocknung sowie derdeutlich größeren Temperaturunterschiede zwi-schen Minimal- und Maximaltemperatur eine deut-lich tiefere Randschicht des Prüfkörpers wasserge-sättigt. Allein daraus ergibt sich im Laborversucheine deutlich höhere Abwitterung als in der Praxisbeobachtet wird. Die Tendenz des Schädigungs-grades ist aber aufgrund der gleichen Schädi-gungsmechanismen im Laborversuch wie in derPraxis identisch.

Weiterhin wurde mit den Auslagerungsversuchengezeigt, dass der Temperaturhub für die Schadens-intensität als maßgebend anzusehen ist [7]. Eskonnte eine klare Zuordnung der Schadensinten-sität zum Auslagerungsort festgestellt werden. Be-tonproben, die in Meschede ausgelagert waren,wiesen teilweise geringere Schädigungen auf alsBetone in Farchant. Bei gleicher Anzahl an Frostta-gen mit Niederschlag wurden in Meschede eindurchschnittlicher Temperaturunterschied von 7,1Kelvin und in Farchant ein Temperaturunterschiedvon 11,4 Kelvin nachgewiesen [7].

8 Offene Fragen

Die Messungen am Bauwerksbeton bilden den Sät-tigungsgrad des Betons auf der sicheren Seite lie-gend ab. Genauere Aussagen wären möglich [5, 6],wenn in der Auswertung der Bauwerksmessungen

• ein sättigungsabhängiger b-Wert bei der Kom-pensierung des Temperatureinflusses auf denElektrolytwiderstand berücksichtigt werdenkann,

• der Einfluss des Chloridgehalts auf den elektro-lytischen Widerstand genauer bestimmt werdenkann und

• die Karbonatisierung des oberflächennahen Be-tons bei der Kalibrierungsmethode berücksich-tigt werden kann.

Auch stellt sich die Frage, wie gut der Einfluss derin Deutschland vorherrschenden Witterungsbedin-

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gungen auf die Klimabedingungen im Bauwerksbe-ton mit Messungen über einen Zeitraum von 4 Win-tern wiedergegeben wird. Der Vergleich der Datender Wetterstationen in der Nähe der Bauwerke mitden Klimabedingungen im Bauwerksbeton legtnahe, dass mit den vorhandenen Messungen re-präsentative Winter abgebildet werden [7, 20].Damit kann zwar nicht ausgeschlossen werden,dass vereinzelt niedrigere Temperaturen im Bau-werksbeton auftreten oder der kritische Sättigungs-grad des oberflächennahen Betons im Bauwerk inXF2 häufiger als 1- bis 2-mal im Jahr bei Frost-Tau-wechseln erreicht werden kann. Aber die Messun-gen zeigen auch, dass die Tiefsttemperatur im Bau-werk an Eistagen und nicht an den schadensrele-vanten Frosttagen auftreten.

Bei den Messungen am Bauwerksbeton wurde inden Luftporenbetonen im Winter oberflächennahein geringerer Sättigungsgrad festgestellt als ingrößerer Tiefe [6]. Hier stellt sich die Frage, ob deroberflächennah als kleinster Wert bestimmte Sätti-gungsgrad durch andere Effekte, wie z. B. durchVeränderungen in der Porenstruktur des Bauwerks-betons, beeinflusst wird.

In Bezug auf das neue modifizierte CDF-VerfahrenXF2 konnten im Rahmen der Forschungsprojektenicht alle Fragen geklärt werden.

Das Abnahmekriterium für Beton in XF2 konntenicht abschließend festgelegt werden. Hierzu sindweitere Prüfungen von Betonen mit unterschiedli-cher Zusammensetzung erforderlich. Auch solltedurch einen Ringversuch die aus dem CDF-Verfah-ren XF4 vermutete Wiederhol- und Vergleichspräzi-sion für das modifizierte CDF-Verfahren XF2 be-stätigt werden.

Offen ist auch noch die Frage, wie sich poröseSande mit hoher Wasseraufnahme in der Prüfungmit dem modifizierten CDF-Verfahren XF2 darstel-len. In der Prüfung im Luftporenbeton mit demCDF-Verfahren XF4 steht für expandierende kleineBestandteile, wie z. B. Sande, möglicherweise aus-reichend Porenraum zur unschädlichen Ausdeh-nung zur Verfügung. In der Prüfung des für XF2-Bauteile bewährten Betons ohne Luftporen mit demmodifizierten CDF-Verfahren XF2 steht dieser Aus-weichraum nicht zur Verfügung und Gefügeschä-den können die Folge sein. In diesem Zusammen-hang schließt sich auch die Frage an, ob ein sol-cher Effekt in der Baupraxis relevant ist oder ob essich um einen mit der Prüfung erzeugten künstli-chen Effekt handelt.

Bevor das modifizierte CDF-Verfahren XF2 als Lab-Performance-Verfahren das deskriptive Konzeptder heutigen Regelwerke voll ersetzen kann, stellensich folgende Fragen:

• Das modifizierte CDF-Verfahren XF2 beruhtausschließlich auf der Beurteilung der Abwitte-rung des Betons in der Prüfung. Hier stellt sichdie Frage, ob Betone, deren Festigkeit so geringist, dass Gefügestörungen ohne Vorankündi-gung durch Abwitterungen erfolgen, mit demmodifizierten CDF-Verfahren XF2 erfasst wer-den können.

• Das modifizierte CDF-Verfahren XF2 bildet denphysikalischen Schädigungsmechanismus einerFrost-Tausalz-Beanspruchung von Bauwerks-beton ab. Es stellt sich die Frage, inwieweit diechemischen Schädigungsmechanismen mit die-ser Kurzzeitprüfung erfasst werden können undob der Einfluss der chemischen Schädigung, z. B. nicht frosttausalzbeständiger Hydratations-produkte oder Ausgangsstoffe, mit dem Prüfver-fahren abgebildet werden kann.

Bis zur Klärung dieser Fragen wird es weiterhin er-forderlich sein, ergänzend zur Prüfung mit dem mo-difizierten CDF-Verfahren XF2 frosttausalzbestän-dige Ausgangsstoffe und eine Mindestfestigkeits-klasse als deskriptive Anforderungen zu stellen.

9 Zusammenfassung undSchlussfolgerung

Der Frost- und Tausalzwiderstand ist für die Dauer-haftigkeit von Bauwerken an Bundesfernstraßen vonhoher Bedeutung. Die neuen Normen, zusammen-gefasst im DIN-Fachbericht 100, unterscheiden zweiBeanspruchungskollektive: Frost- und Tausalzein-wirkung bei hoher Wassersättigung, bezeichnet alsExpositionsklasse XF4, und Frost- und Tausalzein-wirkung bei mäßiger Wassersättigung, bezeichnetals Expositionsklasse XF2. Unbekannt war bisher,welche Wassersättigung mäßige von hoher unter-scheidet und welche Auswirkungen eine Frost-Tau-salz-Beanspruchung im Beton des Bauwerks hat.Auch fehlte ein Prüfverfahren für die Expositions-klasse XF2. Das Prüfverfahren sollte dem Perfor-mance Concept gerecht werden, also die Ermittlungder Leistungsfähigkeit des Betons ohne genaueKenntnis seiner Zusammensetzung ermöglichen.

Durch kontinuierliche Messung des elektrolytischenWiderstands und der Temperatur im Bauwerkbeton

32

konnten mit den Projekten FE 15.324/2000/FR „Eu-ropäische Bemessungsvorschriften für denBrückenbau – Beanspruchung von Betonbauwer-ken“ und FE 89.0169/2005/AP „TiefenabhängigeFeuchte- und Temperaturmessung an einerBrückenkappe der Expositionsklasse XF4“ über 4Winterperioden hinweg Daten in unterschiedlichenTiefenlagen im Beton erhoben werden. Der Chlo-ridgehalt des Betons wurde punktuell erfasst. Nachentsprechender Kalibrierung erlauben diese DatenAussagen über den Sättigungsgrad des Betonszwischen rd. 7 mm und rd. 90 mm unterhalb derfrost-tausalz-beanspruchten Betonoberfläche. Aufdiese Weise konnten die schadensrelevanten Aus-wirkungen der Frost-Tauwechsel-Beanspruchungdes Bauteils im Bauwerksbeton abgebildet werden.

Aus der Zusammenschau der Ergebnisse der Pro-jekte FE 15.324/2000/FR, FE 89.0169/2005/APund den Beobachtungen an Betonprüfkörpern, dieim Rahmen des Projektes FE 15.367/2002/DRB„Prüfverfahren nach dem Performance Concept –Beton in der Expositionsklasse XF2“ im Mittelstrei-fen von 4-spurigen Straßen mit hohem Verkehrs-aufkommen über 3 bis 4 Winterperioden der Witte-rung ausgesetzt waren, konnten die schadensrele-vanten Unterschiede der Beanspruchung des Be-tons in XF2 und XF4 dargestellt werden. Auchkonnten neue Erkenntnisse zum Schädigungspro-zess im Bauwerksbeton infolge Frost-Tausalz-Be-anspruchung in der Expositionsklasse XF2 gewon-nen werden.

Das neue Prüfverfahren für Beton in der Expositi-onsklasse XF2, das modifizierte CDF-VerfahrenXF2, wurde im Rahmen des Projektes FE15.367/2002/DRB durch angemessene Modifikatio-nen des bekannten CDF-Verfahrens XF4 ent-wickelt. Die Prüfung des Betons erfolgt mit demneuen modifizierten CDF-Verfahren XF2, ebensowie mit dem bekannten Verfahren XF4, im Labor.Mit Kenntnis der Beanspruchung des Bauwerkbe-tons aus den Projekten FE 15.324/2000/FR und FE89.0169/2005/AP und der Beanspruchung der aus-gelagerten Betonprüfkörper dieses Projekts wurdees möglich, das bekannte Verfahren XF4 durch ge-zielte Modifikationen so abzuschwächen, dassBeton für XF2 sicher beurteilt werden kann, ohneunrealistisch hohe Anforderungen zu stellen.

Die in ZTV-ING 3-1 getroffene Zuordnung der Bau-teile zu den Expositionsklassen XF2 bzw. XF4 istdurch die Messungen im Bauwerksbeton bestätigtworden. Im Beton der Bauteile mit nicht vorwiegend

horizontaler Oberfläche (XF2), wie z. B. Widerlager,Pfeiler und Tunnelwänden, werden im Vergleich zurWassersättigung unter Atmosphärendruck eindeu-tig niedrigere Sättigungsgrade beobachtet als imLuftporenbeton der Brückenkappe (XF4), obwohlkein wirksames Luftporensystem eingeführt wur-den. Nur in seltenen Fällen und nur in der äußers-ten Randzone des Bauwerkbetons mit nicht vorwie-gend horizontaler Oberfläche (XF2) wird eine Sätti-gung beobachtet, die der Sättigung unter Atmos-phärendruck entspricht oder diese geringfügigüberschreitet. Diese grundsätzlich unterschiedli-chen Verhältnisse in Bereichen mit hoher Wasser-sättigung (XF3) und mäßiger Wassersättigung(XF1) werden durch Messungen an Schleusenbau-werken ohne tausalzhaltiges Wasser bestätigt.

Frost-Tausalzschäden können aber auch im Betonder Expositionsklasse XF2 auftreten, wie die Kom-bination von Auslagerungsversuchen und Messun-gen des elektrolytischen Widerstands des Betonszeigen. Entspricht der w/z-Wert der Betonzusam-mensetzung nicht ZTV-ING 3-1 und nicht DIN-Fachbericht 100, bildet sich in der obersten Rand-zone des Betons ein starker Feuchtegradient ausund nur dort tritt eine Schädigung auf. Solche Über-schreitungen des kritischen Sättigungsgrades tre-ten im Bauwerksbeton in der ExpositionsklasseXF2 wesentlich seltener auf als in der Expositions-klasse XF4, wenn ein vergleichbarer Beton ohneLuftporen betrachtet wird.

Mit den Bauwerksmessungen und der Kombinationvon Auslagerungsversuchen und Messungen deselektrolytischen Widerstands im Beton wird auchdie Eignung von Beton ohne Luftporen in der Expo-sitionsklasse XF2 für Verkehrsbauwerke bestätigt.Betone ohne Luftporen sind unter Beachtung vonZTV-ING 3-1 in XF2 die wirtschaftlichere Lösung.

In Tunnelbauwerken können auch noch 100 m hin-ter dem Tunnelportal Frost-Tauwechsel im Betonmit derselben Häufigkeit auftreten wie im Portalbe-reich selbst. Erst ab rd. 200 m Abstand vom Portalscheint die Anzahl der Frost-Tauwechsel im Betonin der Tendenz abzunehmen. Die Forderung derExpositionsklasse XF2 nach ZTV-ING 3-1 für Betonzwischen den Portalbereichen von Tunneln er-scheint angemessen.

Das neu entwickelte Prüfverfahren für Beton in derExpositionsklasse XF2, das modifizierte CDF-Ver-fahren XF2, ist ein Prüfverfahren nach dem Prinzipder Leistungsfähigkeit. Es erfasst den physikali-schen Versagensmechanismus unter Frost-Tau-

33

salz-Beanspruchung im Beton und es bildet diereale Beanspruchung von Beton im Bauwerk ab.Die Prüfung wird im Labor durchgeführt, weshalbdas modifizierte CDF-Verfahren XF2 als Prüfver-fahren nach dem Lab-Performance-Concept be-zeichnet wird.

Allerdings ist die Beanspruchung des Betons in derPrüfung intensiver als im Beton des Bauwerks. Sieführt zu einer höheren Schädigung des Prüfkör-pers, als diese im realen Bauwerk zu erwarten ist.Dieser Zeitraffereffekt in der Prüfung ist erforder-lich, um die dauerhafte Eignung des Betons inner-halb kurzer Zeit, der im Betonbau üblichen 28-Tage-Frist, beurteilen zu können. Die bekanntenEinflüsse der Betonzusammensetzung auf denFrost-Tausalz-Widerstand werden mit dem Prüfver-fahren abgebildet. Die Unterscheidung von geeig-neten und nicht geeigneten Betonen ist möglich.Das Prüfverfahren lässt eine gute Reproduzierbar-keit erwarten.

Abnahmekriterien für das modifizierte CDF-Verfah-ren XF2 konnten allerdings noch nicht endgültigfestgelegt werden. Hier fehlen noch weitere Unter-suchungen an Betonen unterschiedlicher Zusam-mensetzung, damit die Beurteilung eines Betons injedem Fall auf der sicheren Seite liegt, aber den-noch keine unrealistischen Anforderungen gestelltwerden.

Zur weiteren Klärung der Reproduzierbarkeit undder Abnahmekriterien des modifizierten CDF-TestsXF2 wurde bereits ein Forschungsprojekt, FE15.460/2008/DRB, vergeben.

Das modifizierte CDF-Verfahren XF2 weist in physi-kalischer Hinsicht alle Kriterien einer Lab-Perfor-mance-Prüfung auf. Einschränkungen existieren je-doch für den chemischen Schädigungsmechanis-mus einer Frost-Tausalz-Beanspruchung. Ob undinwieweit nicht frost- und frosttausalzbeständigeBetonausgangsstoffe oder Hydratationsproduktedes Betons mit diesem Verfahren erfasst werdenkönnen, ist noch nicht geklärt. Chemische Schädi-gungen können im Bauwerksbeton langsamer ver-laufen und ggf. nicht in der üblichen 28-Tages-Fristmit dem modifizierten CDF-Verfahren XF2 erkanntwerden.

Sobald die Reproduzierbarkeit der Versuche be-stätigt wird und die Abnahmekriterien angemessenfestgelegt werden können, erscheint es möglich,die Prüfung von Beton für XF2 mit dem modifizier-ten CDF-Verfahren XF2 in den ZTV-ING 3-1 zur

Überprüfung von solchen Betonzusammensetzun-gen einzuführen, die mit noch nicht in der Praxisbewährten Ausgangstoffen hergestellt werden. DerNachweis der Grundanforderungen von ZTV-ING3-1 und DIN-Fachbericht 100 an die Betonaus-gangsstoffe wird jedoch weiterhin erforderlich blei-ben.

10 Literatur

[1] DIN EN 206-1, Beton – Teil 1: Festlegungen,Eigenschaften, Herstellung und Konformität.Deutsche Fassung EN 206-1

[2] DIN 1045-2 ,Tragwerke aus Beton, Stahlbetonund Spannbeton – Teil 2: Beton – Festlegun-gen, Eigenschaften, Herstellung und Konfor-mität. Anwendungsregeln zu DIN EN 206-1

[3] DIN-Fachbericht 100, Beton, Zusammenstell-lung von DIN EN 206-1, Beton – Teil 1 undDIN 1045-2, Tragwerke aus Beton, Stahlbetonund Spannbeton – Teil 2 – Anwendungsregelnzu DIN EN 206-1. Hrsg. DIN Deutsches Insti-tut für Normung, Berlin-Wien-Zürich: Beuth, 2.Auflage 2005

[4] Zusätzliche Technische Vertragsbedingungenund Richtlinien für Ingenieurbauten, Teil 3,Massivbau, Abschnitt 1, Beton (ZTV-ING 3-1,Stand 07/06), Hrsg.: Bundesanstalt für Stra-ßenwesen. Dortmund, Verkehrsblatt, 2003

[5] BRAMESHUBER, W., SPÖREL, F., WARKUS,J.: Europäische Bemessungsvorschriften fürden Brückenbau – Beanspruchung von Beton-bauwerken, Forschungsbericht F790 zum Auf-trag 15.324/2000/FR des BMVBS. Institut fürBauforschung (ibac) der RWTH Aachen, 2008

[6] BRAMESHUBER, W., SPÖREL, F., WAR-KUS, J.: Tiefenabhängige Feuchte- und Tem-peraturmessung an einer Brückenkappe derExpositionsklasse XF4. Berichte der Bundes-anstalt für Straßenwesen – Brücken- und In-genieurbau. Hrsg.: Bundesanstalt für Straßen-wesen. Bremerhaven: NW, Heft B 64, 2008

[7] SETZER, M. J., SCHIEßL, P., KECK, H.-J.,PALECKI, S., BRANDES, C.: Prüfverfahrennach dem Performance Concept – Beton in derExpositionsklasse XF2. Berichte der Bundes-anstalt für Straßenwesen – Brücken- und Inge-

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nieurbau. Hrsg. Bundesanstalt für Straßenwe-sen. Bremerhaven, NW, Heft B 56, 2007

[8] SIEBEL, E. u. a.: Übertragbarkeit von Frost-Laborprüfungen auf Praxisverhältnisse, Sach-standbericht. Hrsg.: Deutscher Ausschuss fürStahlbeton (DAfStb). Berlin-Wien-Zürich:Beuth, Heft 560, 1. Auflage 2005

[9] FAGERLUND, G.: The Critical Degree of Saturation Method of Assessing the Freeze/Thaw Resistance of Concrete. Materiaux etConctructions RILEM 10, Heft 58, 1997, S.217-229

[10] RUCKER, P., BEDDOE, R. E., KRUS, M.:Neue Erkenntnisse zu den Transportmecha-nismen von Feuchte und Chlorid in Beton. In:15. Internationale Baustofftagung (ibausil).Hrsg: F. A. Finger Institut für Baustoffe, Prof.Dr.-Ing. Jochen STARK, Bauhaus-UniversitätWeimar, 2003, Seite 2-0893 – 2-0903

[11] AUBERG, R.: Zuverlässige Prüfung des Frost-und Frost-Tausalz-Widerstands von Beton mitdem CDF- und CIF-Test. Hrsg.: Prof. Dr. rer.nat. Dr.-Ing, habil. Max J. Setzer, UniversitätGH Essen. Mitteilungen aus dem Institut fürBauphysik und Materialwissenschaft (Disser-tation), Aachen: Shaker, Heft 6, 1999

[12] Merkblatt für die Herstellung und Verarbeitungvon Luftporenbeton. Arbeitsgruppe Beton-straßen. Hrsg.: Forschungsgesellschaft fürStraßen- und Verkehrswesen, 2004

[13] HILSDORF, H. K., KOTTAS, R.: Beanspru-chung von Brückenbauwerken durch Frostund Tausalze – Messungen an Brücken. Hrsg.Universität Karlsruhe, Institut für Massivbauund Baustofftechnologie, Abteilung Baustoff-technologie. Karlsruhe, 1995

[14] HILSDORF, H. K., KOTTAS, R.: Beanspru-chung von Brückenbauwerken durch Frostund Tausalze. Vorträge der DBV-Arbeitsta-gung am 16.06.1993 in Wiesbaden

[15] HENRIKSEN, C. F.: In-Situ Monitoring of Concrete Structures. Lund: Lund Institute ofTechnology, Division of Building Materials, Report TVBM-3064, 1995. In: Corrosion ofReinforcement: Field and Laboratory Studiesfor Modelling and Service Life. Feburary 1-2,1995, Hrsg. Tuutti. K., S. 213-226

[16] Richtlinie für die Standardisierung des Ober-baus von Verkehrsflächen, Ausgabe 2001,Hrsg. Forschungsgemeinschaft für dasStraßen und Verkehrswesen, FGSV, Köln:Forschungsgemeinschaft für das Straßen undVerkehrswesen, FGSV, 2001, FGSV 499

[17] BRAMESHUBER, W., SPÖREL, F.: Messungdes tiefenabhängigen Feuchtegehalts an Be-tonbauwerken. In: Beiträge zum KolloquiumFrostwiderstand von Beton in Labor und Pra-xis am 29. und 30. September 2005. Hrsg.:Verein Deutscher Zementwerke, Düsseldorf.Erschienen im Deutschen Ausschuss fürStahlbeton (DAfStb), Berlin. S. 83-90

[18] CEN/TS: Vornorm CEN/TS 12390-9:2006-08Prüfung von Festbeton – Teil 9: Frost- undFrost-Tausalz-Widerstand – Abwitterung

[19] VERBECK, C. J., KLIEGER, P.: Studies of saltscaling of concrete. Highway Research BoardBulletin, Vol. 150, 1957, S. 1-13

[20] GUSE, U., NIEMANN, U.: Gesamtauswertungder Ergebnisse des Verbundforschungsvorha-bens „Übertragbarkeit von Frost-Laborprüfun-gen auf Praxisverhältnisse“, 2. Entwurf desAbschlussberichts zu Auftrag V 453 des Deut-schen Ausschuss für Stahlbeton (DAfStb),2008

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Schriftenreihe

Berichte der Bundesanstaltfür Straßenwesen

Unterreihe „Brücken- und Ingenieurbau“

B 6: Zur Berechnung von Platten mit schwacher QuerbewehrungKaschner 11,50

B 7: Erprobung von dichten lärmmindernden Fahrbahnbelägen für BrückenSczyslo 12,50

B 8: Untersuchungen am Brückenbelag einer orthotropen Fahr-bahnplatteKrieger, Rath 17,50

B 9: Anwendung von zerstörungsfreien Prüfmethoden bei Beton-brückenKrieger 13,00

B 10: Langzeituntersuchungen von HydrophobierungsmittelnMaaß, Krieger

12,50

B 11: Fahrbahnbeläge auf Sohlen von Trogbauwerken Wruck 12,00

B 12: Temperaturmessungen bei der Verbreiterung der Rodenkir-chener BrückeGoebel 15,50

B 13: Strukturanalyse von BetonGatz, Gusia 11,00

B 14: Verhalten von Fahrbahnübergängen aus Asphalt infolge HorizontallastenKrieger, Rath 16,00

B 15: Temperaturbeanspruchung im Beton und Betonersatz beim Einbau von AbdichtungenGroßmann, Budnik, Maaß 14,50

B 16: Seilverfüllmittel – Mechanische Randbedingungen für Brük- kenseileEilers, Hemmert-Halswick 27,50

B 17: Bohrverfahren zur Bestimmung der Karbonatisierungstiefe und des Chloridgehaltes von BetonGatz, Gusia, Kuhl 14,00

B 18: Erprobung und Bewertung zerstörungsfreier Prüfmethoden für BetonbrückenKrieger, Krause, Wiggenhauser 16,50

B 19: Untersuchung von unbelasteten und künstlich belasteten BeschichtungenSchröder 11,00

B 20: Reaktionsharzgebundene Dünnbeläge auf StahlEilers, Ritter 12,50

B 21: Windlasten für Brücken nach ENV 1991-3Krieger 10,50

B 22: Algorithmen zur Zustandsbewertung von Ingenieurbau-werkenHaardt 11,50

B 23: Bewertung und Oberflächenvorbereitung schwieriger UntergründeSchröder, Sczyslo 11,00

B 24: Erarbeitung einer ZTV für reaktionsharzgebundene Dünn-beläge auf StahlEilers, Stoll 11,00

B 25: Konzeption eines Managementsystems zur Erhaltung von Brücken- und IngenieurbauwerkenHaardt 12,50

B 26: Einsatzmöglichkeiten von Kletterrobotern bei der Bauwerks-prüfungKrieger, Rath, Berthold 10,50

B 27: Dynamische Untersuchungen an reaktionsharzgebundenen DünnbelägenEilers, Ritter, Stoll 11,00

B 28: Erfassung und Bewertung von reaktionsharzgebundenen Dünnbelägen auf StahlEilers 11,00

B 29: Ergänzende Untersuchungen zur Bestimmung der Karbo-natisierungstiefe und des Chloridgehaltes von BetonGatz, Quaas 12,00

B 30: Materialkonzepte, Herstellungs- und Prüfverfahren für elutions-arme SpritzbetoneHeimbecher 11,00

B 31: Verträglichkeit von reaktionsharzgebundenen Dünnbelägen mit Abdichtungssystemen nach den ZTV-BEL-STEilers, Stoll 10,50

B 32: Das Programm ISOCORRAG: Ermittlung von Korrosivitäts-kategorien aus MassenverlustratenSchröder 11,50

B 33: Bewährung von Belägen auf Stahlbrücken mit orthotropen FahrbahnplattenEilers, Sczyslo 17,00

B 34: Neue reaktionsharzgebundene Dünnbeläge als Fahrbahn-beläge auf einem D-Brücken-GerätEilers, Ritter 13,00

B 35: Bewährung von Brückenbelägen auf BetonbauwerkenWruck 11,50

B 36: Fahrbahnübergänge aus AsphaltWruck 11,00

B 37: Messung der HydrophobierungsqualitätHörner, von Witzenhausen, Gatz 11,00

B 38: Materialtechnische Untersuchungen beim Abbruch der Talbrücke HaigerKrause, Wiggenhauser, Krieger 17,00

B 39: Bewegungen von Randfugen auf BrückenEilers, Wruck, Quaas 13,00

B 40: Schutzmaßnahmen gegen Graffitivon Weschpfennig 11,50

B 41: Temperaturmessung an der Unterseite orthotroper Fahrbahn-tafeln beim Einbau der Gussasphalt-SchutzschichtEilers, Küchler, Quaas 12,50

B 42: Anwendung des Teilsicherheitskonzeptes im TunnelbauStäding, Krocker 12,00

B 43: Entwicklung eines Bauwerks Management-Systems für das deutsche Fernstraßennetz – Stufen 1 und 2Haardt 13,50

B 44: Untersuchungen an Fahrbahnübergängen zur LärmminderungHemmert-Halswick, Ullrich 12,50

1995

1996

1997

1998

1999

2000

26

2001

2003

Alle Berichte sind zu beziehen beim:

Wirtschaftsverlag NWVerlag für neue Wissenschaft GmbHPostfach 10 11 10D-27511 BremerhavenTelefon: (04 71) 9 45 44 - 0Telefax: (04 71) 9 45 44 77Email: [email protected]: www.nw-verlag.de

Dort ist auch ein Komplettverzeichnis erhältlich.

B 45: Erfahrungssamlungen:Stahlbrücken – Schäden – wetterfeste Stähle SeileTeil 1: Dokumentation über Schäden an StahlbrückenTeil 2: Dokumentation und Erfahrungssammlung mit Brücken aus wetterfesten StählenTeil 3: Erfahrungssammlung über die Dauerhaftigkeit von Brü- ckenseilen und -kabelnHemmert-Halswick 13,00

B 46: Einsatzbereiche endgültiger Spritzbetonkonstruktionen im TunnelbauHeimbecher, Decker, Faust 12,50

B 47: Gussasphaltbeläge auf StahlbrückenSteinauer, Scharnigg 13,50

B 48: Scannende Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung von BrückenbauwerkenHolst, Streicher, Gardei, Kohl, Wöstmann, Wiggenhauser 15,00

B 49: Einfluss der Betonoberflächenvorbereitung auf die Haf- tung von EpoxidharzRaupach, Rößler 13,50

B 50: Entwicklung eines Bauwerks-Management-Systems für das deutsche Fernstraßennetz, Stufe 3Holst 13,50

B 51: Hydrophobierungsqualität von flüssigen und pastösen HydrophobierungsmittelnPanzer, Hörner, Kropf 12,50

B 52: Brückenseile mit Galfan-Überzug – Untersuchung der Haftfestigkeit von GrundbeschichtungenFriedrich, Staeck 14,50

B 53: Verwendung von selbstverdichtendem Beton (SVB) im Brücken- und Ingenieurbau an BundesfernstraßenTauscher 14,50

B 54: Nachweis des Erfolges von Injektionsmaßnahmen zur Mängelbeseitigung bei Minderdicken von TunnelinnenschalenDieser Bericht liegt nur in digitaler Form vor und kann kosten- pflichtig unter www.nw-verlag.de heruntergeladen werden.Rath, Berthold, Lähner 12,50

B 55: Überprüfung des Georadarverfahrens in Kombination mit magnetischen Verfahren zur Zustandsbewertung von Brückenfahrbahnplatten aus Beton mit BelagsaufbauDieser Bericht liegt nur in digitaler Form vor und kann kosten- pflichtig unter www.nw-verlag.de heruntergeladen werden.Krause, Rath, Sawade, Dumat 14,50

B 56: Entwicklung eines Prüfverfahrens für Beton in der Expo-sitionsklasse XF2Dieser Bericht liegt nur in digitaler Form vor und kann kostenpflichtig unter www.nw-verlag.de heruntergeladen werden.Setzer, Keck, Palecki, Schießl, Brandes 19,50

B 57: Brandversuche in Straßentunneln – Vereinheitlichung der Durchführung und AuswertungDieser Bericht liegt nur in digitaler Form vor und kann kostenpflichtig unter www.nw-verlag.de heruntergeladen werden.Steinauer, Mayer, Kündig 26,50

B 58: Quantitative Risikoanalysen für StraßentunnelSistenich 14,50

B 59: Bandverzinkte SchutzplankenholmeSchröder 12,50

2004

2005

2006

2007

2008

B 60: Instandhaltung des Korrisionsschutzes durch Teiler- neuerung - BewährungSchröder 13,50

B 61: Untersuchung von Korrision an Fußplatten von Schutz-plankenpfostenSchröder, Staeck 13,00

B 62: Bewährungsnachweis von Fugenfüllungen ohne Unter-füllstoffEilers 12,00

B 63: Selbstverdichtender Beton (SVB) im StraßentunnelbauDieser Bericht liegt nur in digitaler Form vor und kann kostenpflichtig unter www.nw-verlag.de heruntergeladen werden.Heunisch, Hoepfner, Pierson (†), Dehn, Orgass, Sint 17,50

B 64: Tiefenabhängige Feuchte- und Temperaturmessung an einer Brückenkappe der Expositionsklasse XF4Brameshuber, Spörel, Warkus 12,50

B 65: Zerstörungsfreie Untersuchungen am Brückenbauwerk A1Hagen/SchwerteDieser Bericht liegt nur in digitaler Form vor und kann kostenpflichtig unter www.nw-verlag.de heruntergeladen werden.Friese, Taffe, Wöstmann, Zoega 14,50

B 66: Bewertung der Sicherheit von StraßentunnelnZulauf, Locher, Steinauer, Mayer, Zimmermann, Baltzer, Riepe, Kündig 14,00

B 67: Brandkurven für den baulichen Brandschutz von Straßen-tunnelnBlosfeld 17,50

B 68: Auswirkungen des Schwerlastverkehrs auf die Brücken der Bundesfernstraßen – Teile 1-4Dieser Bericht liegt nur in digitaler Form vor und kann kostenpflichtig unter www.nw-verlag.de heruntergeladen werden.Kaschner, Buschmeyer, Schnellenbach-Held, Lubasch, Grünberg, Hansen, Liebig, Geißler 29,50

B 69: Berücksichtigung der Belange behinderter Personen bei Ausstattung und Betrieb von StraßentunnelnWagener, Grossmann, Hintzke, Sieger 18,50

B 70: Frost-Tausalz-Widerstand von Beton in Brücken und Ingenieurbauwerken an BundesfernstraßenTauscher 14,50

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