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Frost- und Frost-Tausalz-Widerstand von Beton

Beton-Seminare 2010Dr. Thomas RichterBetonMarketing Ost

© 20102 BetonMarketing Ost

Der Winter 2009 hat einen neuen Kälterekord

Die zweite sibirische Nacht in Folge hat dem Winter 2009 neue Kälterekorde gebracht. In Sachsen und Bayern wurden neue Tiefstpunkte um die minus 30 Grad gemessen.

Sogar in Berlin wurden Werte um -20 Grad gemeldet. In der Berliner S-Bahn froren gar Türen zu ...

Der Winter 2009 hat einen neuen Kälterekord

Die zweite sibirische Nacht in Folge hat dem Winter 2009 neue Kälterekorde gebracht. In Sachsen und Bayern wurden neue Tiefstpunkte um die minus 30 Grad gemessen.

Sogar in Berlin wurden Werte um -20 Grad gemeldet. In der Berliner S-Bahn froren gar Türen zu ...

Die Welt, 7. Januar 2009


Frostprüfung im 18. Jahrhundert

„Die vorzügliche Probe ist aber,wenn sie der nassen Witterung lange,und einem Winter durch dem Froste

ausgesetzt worden,und sich dennoch gut erhalten haben

d.i. ohne zu zerfallen oder zu erweichen.“

D. Gilln: Handbuch der Landbaukunst, 1778


Dichteanomalie von Wasser

+ 9 Vol.-%+ 9 Vol.-%


Gefrierpunkt der Porenlösung im Beton

-20 ...-90< 30 nmGelporen

-3 ... -20 30 nm ... 30 µmKapillarporen

teilgefüllt 50 µm ...300 µmLuftporen

leer> 1 mmVerdichtungsporen, Lunker

Gefrierpunkt[°C]PorendurchmesserPorenart


Schädigungsmechanismen bei Frostangriff

hydraulischer Druck

Kapillareffekt

Osmose

thermodynamische Effekte

Kristallisationsdruck

chem. Phasenumwandlungen

Volumenvergrößerung Eis

Eislinsenpumpe

schichtenweises Gefrieren

ungleiche Temperatur-ausdehnungskoeffizienten

Temperatursturz

mikroskopisch(Gefügeänderungen)

makroskopisch(Spannungen)


unterschiedliche Temperaturausdehnungskoeffizienten - Zementstein αT = 10 bis 24 * 10-6 K-1

- Eis αT = 50 * 10-6 K-1

ab Temperaturdifferenzen von 15 K können kritische Zugspannungen auftreten

Temperatursturzaus Temperaturgradienten von 15 K resultieren Eigenzugspannungen an der Betonoberflächevon 1 ... 4 N/mm²

Makroskopische Schadensursachen


Mikroeislinsenpumpe

Feuchteaufnahme durch „Pumpeffekte“während der FTW bis zur kritischen Sättigung

Beim Abkühlen:

Kontraktion der Matrix und Herauspressen des ungefrorenen Wassers aus den Gelporen

Beim Erwärmen:

Ausdehnung der Matrix, durch Pumpeffekt wird Wasser oder Taumittellösung von außen eingesaugt

Folge:

Schädigungen der Matrix

Feuchteaufnahme durch „Pumpeffekte“während der FTW bis zur kritischen Sättigung

Beim Abkühlen:

Kontraktion der Matrix und Herauspressen des ungefrorenen Wassers aus den Gelporen

Beim Erwärmen:

Ausdehnung der Matrix, durch Pumpeffekt wird Wasser oder Taumittellösung von außen eingesaugt

Folge:

Schädigungen der Matrix

Quelle: Setzer: Mikroeislinsenbildung und Frostschaden 1999


Abwitterungen im oberflächennahen Bereichinsbesondere bei Taumitteleinfluss

innere Gefügeschädigungen im Baustoffgefüge

punktuelle Abplatzungen bzw. Kantenabbrüche

Schädigungen durch Frosteinwirkungen


Einflussgrößen auf den FTW / FTSW

Feuchteangebot(WassersättigungBeton)

Taumittel

Frost-Tauwechsel(Anzahl, Schärfe)

Mischen

Transportieren/Fördern

Verdichten

Nachbehandeln

Betonalter

w/z-Wert

Zement,Zementgehalt

Gesteinskörnung

Zusatzmittel

Luftporengehalt

Zusatzstoffe

Umwelt-bedingungen

Technologische Einflüsse

Betonzusammen-setzung


Kritische Umweltbedingungen für Frost-undFrost-Tausalz-Schäden ("harter Winter")

häufige Frost-Tau-Wechsel mit Minimaltemperaturen unter -5 °C

gleichzeitig hohe Wassersättigung

kritischste Bauteile: Wasserbauteile, Verkehrsflächen mit defekten Fugen

die absolute Zahl von Frost-Tau-Wechseln ist von untergeordneterBedeutung, wenn das Bauteil zwischen den Durchfrostungenaustrocknen kann oder trocken ist


Betone mit hohem FTW / FTSW

Übereinstimmung mit der Praxis

Abnahme-Grenzwerte

Prüfstreuung / Reproduzierbarkeit

neue Ausgangsstoffe

innovative Betone

CDF-/CIF-Verfahren

Slab-Test

ÖNorm-Verfahren

Länderregelungen im Straßenbau / Ingenieurbau

Festlegungen zu

Gesteinskörnungen

Zementart

w/z-Wert / Mindestdruckfestigkeit

Anrechenbarkeit von Zusatzstoffen

Luftporengehalt (Abstandsfaktor,Mikroluftporengehalt)

„performance concept“(Prüfung der Leistungsfähigkeit von Beton)

„design concept“(Ausgangsstoffe und Betonzusammensetzungen, die sich bewährt haben)


Welches Prüfverfahren ermöglicht eine praxisrelevante Beurteilungder Betone?

Sind die Laborprüfungen auf die Praxis übertragbar?

Warum erfüllen einige bewährte Rezepturen nicht die Abnahmekriterien bei der Frostprüfung im Labor?

Probleme bei der Umsetzung des Performance-Konzepts


Expositionsklassen - Frostangriff (Beton)

offene Wasserbehälter;Bauteile in der Wasserwechselzone von Süßwasser

hohe Wassersättigung, ohne Taumittel

XF3

Taumittelbehandelte Verkehrsflächen; Überwiegend horizontale Bauteile imSpritzwasserbereich taumittelbehandelterVerkehrsflächen;Räumerlaufbahnen von Kläranlagen;Meerwasserbauteile in der Wasserwechselzone

hohe Wassersättigung, mit Taumittel

XF4

Bauteile im Sprühnebel- oder Spritzwasser-bereich taumittelbehandelter Verkehrsflächen,soweit nicht XF4; Bauteile im Sprühnebelbereich von Meerwasser

mäßige Wassersättigung, mit Taumittel

XF2

Außenbauteilemäßige Wassersättigung, ohne Taumittel

XF1

BeispieleUmgebungKlasse

Durchfeuchteter Beton, der erheblichen Frost-Tau-Wechseln ausgesetzt ist


Expositionsklassen -Chloride außer Meerwasser (Stahlkorrosion)

Grafikbeschriftung in Arial, 14 pt

Auch noch ein Blindtext

Noch ein Blindtext

Teile von Brücken mit häufigerSpritzwasserbeanspruchungFahrbahndeckenParkdecks *

wechselnd nassund trockenXD3

SolebäderBauteile, die chloridhaltigenIndustrieabwässern ausgesetzt sind

nass, selten trockenXD2

Bauteile im Sprühnebelbereich vonVerkehrsflächen Einzelgaragen

mäßige FeuchteXD1

BeispieleUmgebungKlasse

* Ausführung direkt befahrener Parkdecks nur mit zusätzlichen Maßnahmen (z.B. rissüberbrückende Beschichtung, siehe auch DAfStb Heft 525)

* Ausführung direkt befahrener Parkdecks nur mit zusätzlichen Maßnahmen (z.B. rissüberbrückende Beschichtung, siehe auch DAfStb Heft 525)


Mindestbetonfestigkeit bei Frost- und Frost-Taumittel-Angriff

XF2, XF3XF4(LP)

XF1,XF2(LP), XF3(LP)

C 35/45C 30/37C 25/30

Flugbetriebsflächen XF4(LP)

Brückenkappen nach ZTV-Ing XF4(LP)

Bauteile mit XF2 oder XF3 (ohne LP) nach ZTV-Ing(Widerlager, Stützen, Tunnel, Tröge, Bohrpfähle)


Grenzwerte der Betonzusammensetzung

F4

-

280 (270)

C25/300,60

XF1

Gesteins-körnung

min p [Vol.-%]

min z [kg/m³]min fck

max w/z

16er≥4,532er≥4,0

-16er≥4,532er≥4,0

-16er≥4,532er≥4,0

320 (270)

320 (270)

300 (270)

320 (270)

300(270)

MS18F2MS25

C30/37C35/45C25/30C35/45C25/300,500,500,550,500,55

XF4**XF3XF2

Betonangriff durch Frost

** bei Meerwasserbauteilen, Räumerlaufbahnen und erdfeuchtem Beton unter bestimmtenBedingungen ohne LP zulässig


Unterschiede in der Betonzusammensetzung zwischen ZTV-Ing und DIN EN 206-2/DIN 1045-2

≥ C30/37, Rissbreitenbeschränkung für ≥ C35/45

≥ C35/45Widerlager, Stützen, Tunnel, Tröge, Bohrpfähle mit XF2, XF3, XD2, XA2, ohne Luftporen

w/z ≤ 0,50w/z ≤ 0,55 bei LP-Beton

XF2 (z.B. bei Flächen mit Sprühnebel)

≥ C25/30(LP), w/z ≤ 0,50, Rissbreitenbeschränkung für ≥ C 30/37

≥ C30/37(LP), w/z ≤ 0,45

BrückenkappeXF4, XD3, XC4

ZTV-IngDIN EN 206-1/DIN 1045-2Bauteil


Mindestbetonfestigkeit bei Frost- und Frost-Taumittel-Angriff gemeinsam mit anderen Expositionen

XM2, XM3(HSt)XM1, XM2(OB)XM2(LP), XM3(HSt/LP)

XM1(LP)XM2(OB/LP)

XA2, XA3XA2(LP), XA3(LP)

XA1

XS2, XS3XS1XS2(LP), XS3(LP)XS1(LP)

XD2, XD3XD1XD2(LP), XD3(LP)XD1(LP)

C 35/45C 30/37C 25/30

„Bei Verwendung von Luftporenbeton, z.B.aufgrund gleichzeitiger Anforderung aus XF, eine Festigkeitsklasse niedriger“(DIN 1045-1, Tab. 3)


Mindestluftgehalt des Frischbetons nach DIN EN 206-1 / DIN 1045-2

4,55,0SVB

EinzelwertMittelwert

(FGSV-Merkblatt LP-Beton beachten)

3,54,0F1 bis F6C0 bis C3

Mindestluftgehalt [Vol.-%], Dmax = 32 mm

für Dmax = 16 mm Mindestluftporengehalt + 0,5 Vol.-%


(max. Luftporengehalt = Mindestluftporengehalt + 4 Vol.-%)

erdfeuchter Beton darf ohne Luftporen hergestellt werden


Mindestluftgehalt des Frischbetons nach ZTV-Ing / ZTV Beton-StB (Einbaustelle)

4,5(3,5)

5,0(4,0 bei Nachweis der

LP-Kennwerte am Festbeton in der Erstprüfung )

C1 mit BV/FMF2 bis F6, C2

EinzelwertMittelwert

Nachweis der LP-Kennwerte am FestbetonF6

3,54,0C1 ohne FM/BV

Mindestluftgehalt [Vol.-%], Dmax = 32 mm



max. Luftporengehalt bei der Erstprüfung, wenn LP-Kennwerte am Festbeton nachgewiesen werden


Anforderungen an die Luftporenkennwerte im Festbeton(FGSV-Merkblatt Luftporenbeton, 2004)

AbstandsfaktorL [mm]

Mikroluftporengehalt A300 [Vol.-%]

≤ 0,24≥ 1,5Bauwerksprüfung

≤ 0,20≥ 1,8Erstprüfung

Art der Prüfung


Horizontale Flächen von Außenbauteilen

Außenbauteile XF1

bei möglicher hoher Wassersättigung XF3 (XF4) prüfen

Beispiele: - Außentreppen- Rampen- horizontale Fundamentoberflächen im Freien- Wandkronen


Fundamente / Kellerwände im Erdreich

Abminderung möglich XF1 kein XFzusätzlich: XC2, evtl. XA...

Frost-Tau-Wechsel vermindert bzw. abgeschwächtdurch Wärmespeicherkapazität der Erde

kein „erheblicher Angriff durch Frost-Tau-Wechsel“

GOK

80 cm

Auslegung NA Bau 118


Regenüberlaufbecken

Chlorideintrag im Winter möglich

XC4, XF3keine Einstufung in XD und XF4 wenn Chlorideintrag gering

Auslegung NA Bau 48


DIN V CEN/TS 12390-9: Frost- und Frost-Tausalz-Widerstand(Plattenprüfverfahren, Würfelprüfverfahren, CF- / CDF-Verfahren)

ZTV-ING

ZTV Beton Stb

Merkblatt Frostprüfung für BetonBundesanstalt für Wasserbau

DIN EN 1338 Pflastersteine aus BetonAnhang D: Plattenprüfverfahren

Länderregelungen im Ingenieur- und Straßenbau

Prüfverfahren


Bestimmung der Abwitterung

Erfassung der innerer Gefügeschädigungen über Ultraschall-Laufzeitmessungen oder Resonanzfrequenzprüfung

zusätzlich Feuchteaufnahme bei Vorsättigungincl. kapillares Saugen vor und/oder während der Frostprüfungen

Kennwerte zur praxisnahen Erfassung des Frost- und Frost-Taumittel-Widerstands


Kapilla res S augen 14

Vors ätti gung Fros tsau gen

28Mas

sezu

nahm

e in

%

-7 0

Frost- Tau- Wechsel

UltraschallbadAbwitte rung (CIF -/ CDF- Test) Innere S chäd igung (CIF- Test)

Ultrascha lllaufzeit

Tage FTW

0

1

2

CDF- Capillary Suction, De-icing agent and Freeze-thaw Test

CIF - Capillary Suction, Internal damage and Freeze-thaw test

Erfassung der inneren Schädigung (CDF / CIF)


keine feststehende Korrelation zwischen den Prüfverfahren

weil

unterschiedliche Beanspruchungen

unterschiedliche Prüfbedingungen- Prüfoberflächen- Vorsättigung- Temperaturzyklen- Abnahmekriterien

Vergleichbarkeit der Prüfverfahren


Einfluss der Carbonatisierungstiefe auf den Frost-Tausalz-Widerstand (DAfStb-Verbundforschungsvorhaben Frost)

CEM III und CEM II-S-Zemente weisen beim CDF-Verfahrenetwas höhere Abwitterungen gegenüber CEM I-Zementen auf

Ursache: diese Zemente neigen beim Laborklima 20 °C / 65 % LFzu beschleunigter Carbonatisierung im Oberflächenbereich und weisen einen geringeren Hydratatationsgrad auf

in der Praxis tritt eine geringere Carbonatisierung auf, die Frost-Tausalz-Beanspruchung beginnt bei höherenHydratationsgraden

für CEM III, CEM II-S-Zemente ist eine Anpassung der Prüfbedingungen an Praxisverhältnisse erforderlich,

Vorlagerung bei 80 % LFVerlängerung der Nachbehandlungsdauer, um vergleichbareHydratationsgrade wie bei CEM I zu erreichen

(gegenwärtig nicht in den Prüfnormen verankert)


Abnahmekriterium ZTV-INGPrüfung nur dann, wenn in Leistungsbeschreibung vorgesehen

- nur an Beton für XF4

- nur an gesondert hergestellten Probekörper

- nur von Prüfstellen, die über ausreichende Erfahrung mit dem Prüfverfahren verfügen

Prüfung mit 3%iger NaCl-Lösung

CDF-Test(Frost-Tausalz-Widerstand):

≤ 1500 g/m²Abwitterung nach 28 FTW gilt nicht fgilt nicht füür r

BauwerksprBauwerksprüüfung!fung!


Prüfungen Frost-Tausalz-Widerstand

≤ 1500 g/m²

28 Wechsel

ZTV ING

≤ 2Masseverlustratem56/m28

im Durchschnitt≤ 1000 g/m²Einzelwerte≤ 1500 g/m²


Masseverlustnach 56 Zyklen


im Durchschnitt≤ 500 g/m²

Masseverlust nach 28 Zyklen

28 Wechsel56 Wechsel56 WechselZyklenanzahl

MB BAWSMWA 01/05SMWA 12/08

keine Prüfung bei XF2 mehr


Einschätzung der CDF-Prüfung(Ergebnisse DAfStb-Verbundforschungsvorhaben Frost)

Prof. Schießl / Dr. Brandes, Techn. Universität München„In Bezug auf die Frost-Tausalz-Prüfung ist daher eine Belastung mit 28 Frost-Tau-Wechseln als ausreichend zu betrachten, zumal die Probekörper während der Prüfung keine Möglichkeit zur Austrocknung haben und der Temperaturhub mit 40K deutlich höher als in der Praxisliegt.“

Prof. Setzer / Dr. Palecki, Universität Duisburg-Essen„Im CDF-Test hat sich als zuverlässiges Kriterium eine Abwitterung von1,5 kg/m³ nach 28 Frosttauwechseln erwiesen.“

Prof. Müller / Dr. Guse, Universität Karlsruhe„Der CDF-Test lieferte im vorliegenden Fall Resultate (Masseverluste), die sich im Verhalten der durch Frost und Tausalze beanspruchtenFahrbahndecke widerspiegeln.“

Quelle: Tagungsband Kolloquium Frostwiderstand, Düsseldorf 2005


Wie kann der Frost-Tausalz-Widerstand erhöht werden ?

Erhöhung des Luftporengehalts (aber: Festigkeitsverringerung)

Korrekturfaktor der Gesteinskörnung bei LP-Gehalt berücksichtigen

Absenkung des w/z-Wertes (aber: Festigkeitserhöhung)

Mörtelgehalt / Sandgehalt minimieren (aber: Pumpfähigkeit)

geringes Bluten

Dicke der Feinmörtelschicht begrenzen

keine Rüttelpatschen

Nachbehandlung

Verzicht auf Besenstrich bei Kappen

Luftgehaltsprüfung auf der Baustelle


Einfluss des Rütteltischs auf die Prüfung des Luftporengehalts nach DIN EN 12350-7 ??

Forderung nach Rütteltisch mit Mindestfrequenz von 2400 upm


Luftporengehalte bei Rütteltisch 3000 upmsystematisch 0,5 ... 0,8 Vol.-% höher !?


Normfestlegungen zur Betonzusammensetzung bei Frost- bzw. Frost-Tausalz-Beanspruchung liegen auf der sicheren Seite

Reproduzierbare Beurteilung des FTW / FTSW bei neuen Ausgangsstoffen und Technologien mit- CDF-Test für Expositionsklasse XF4 und mit - CIF- Test für Expositionsklasse XF3 möglich

CDF-/CIF-Test berücksichtigen nicht den großen Einfluss der Betonverarbeitung auf der Baustelle, z.B. Verdichtung, Oberflächenbearbeitung, Nachbehandlung, Einflüsse bis zum ersten Durchfrieren

Für XF 2 existiert derzeit noch kein praxistaugliches, allgemein anerkanntes Prüfverfahren

Prüfverfahren sind nur für Betone im jungen Alter abgesichert,für gealterte Betone muss gutachterliche Bewertung erfolgen

Zusammenfassung

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