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Luftpermeabilität als Kenngrösse für die Qualität des Überdeckungsbetons von Betonbauwerken Perméabilité à l’air en tant que paramètre caractéristique de la qualité du béton d’enrobage des ouvrages en béton Air permeability as characteristic parameter for the quality of cover concrete of concrete structures

TFB, Technische Forschung und Beratung für Zement und Beton, Wildegg F. Jacobs, Dr. sc. techn., Dipl.-Geol. BDG/SIA Forschungsauftrag AGB 2002/003 auf Antrag der Arbeitsgruppe Brückenforschung (AGB) September 2006 604

Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK Département fédéral de l'environnement, des transports, de l'énergie et de la communication DETEC Dipartimento federale dell'ambiente, dei trasporti, dell'energia e delle communicazioni DATEC

Bundesamt für Strassen Office fédéral des routes Ufficio federale delle Strade

Luftpermeabilität als Kenngrösse für die Qualität des Überdeckungs-betons von Betonbauwerken Perméabilité à l’air en tant que paramètre caractéristique de la qualité du béton d’enrobage des ouvrages en béton Air permeability as characteristic parameter for the quality of cover concrete of concrete structures

TFB, Technische Forschung und Beratung für Zement und Beton, Wildegg F. Jacobs, Dr. sc. techn., dipl. Geol. BDG/SIA

Forschungsauftrag AGB 2002/003 auf Antrag der Arbeitsgruppe Brückenforschung (AGB) September 2006 604

Luftpermeabilität als Kenngrösse für die Betonqualität - Einleitung I

Luftpermeabilität als Kenngrösse für die Betonqualität - Einleitung II

Vorwort Die Qualität von Betonbauten wird massgeblich durch die Planung und die Herstellung beein-flusst. Immer mehr Bauarbeiten erfolgen im Bestand, wobei die Gesellschaft Verkehrshinder-nisse nur bedingt akzeptiert. In Hinblick auf die Verkehrsbehinderung wird deshalb der Bau-prozess teilweise angepasst, wodurch auch teilweise eine (geringe) Verschlechterung der Bauteilqualität in Kauf genommen wird. Um zukünftige Unterhalts- und Instandsetzungsarbei-ten ("Nullunterhaltsstrategie") auf ein Minimum zu reduzieren, sollen die Bauteile jedoch eine ausreichend hohe Lebensdauer aufweisen, wodurch von Anfang an eine ausreichend hohe Qualität notwendig ist. Der Zeit- und Kostendruck auf die Beteiligten bei der Ausführung kann aber dazu führen, dass nicht alle Arbeiten in der notwendigen Qualität ausgeführt werden. Auch werden im Vergleich zu früher geänderte Betonzusammensetzungen und neue oder geänderte Betonausgangsstoffe eingesetzt. Dies kann einen geänderten Bauablauf, z.B. ver-längerte Nachbehandlung bei langsam reagierenden Zusatzstoffen oder Zementen, erfordern. Somit zeigt sich der dringende Bedarf, die Bauteilqualität zu einem so frühen Zeitpunkt zu beurteilen, an dem noch keine Schäden aufgetreten sind, Schutzmassnahmen noch möglich und die Gewährleistungsfristen noch nicht abgelaufen sind. Um die Qualität von Bauteilen zu beurteilen, sind grundsätzlich zerstörungsfreie Prüfmethoden von Vorteil. Eine zerstörungs-freie Prüfmethode ist in der SIA 262/1, Anhang E "Luftpermeabilität am Bauwerk "beschrie-ben. Mitte der 90er Jahre des letzten Jahrhunderts unterstützte das ASTRA die Entwicklung der Prüfmethode. Im Rahmen dieser vom ASTRA finanzierten Arbeit wurde die Anwendung der Methode in der Praxis vertieft geprüft. Dies war nur durch die grosszügige Unterstützung (z.B. Bereitstellung von Bauteilen) verschiedener Beteiligter möglich. Der Autor dankt diesen Beteiligten. Zudem gilt der Dank den Personen innerhalb und ausserhalb der TFB, die durch ihre tatkräftige Unterstützung und kritische Begutachtung der Arbeit und des Berichtsentwurfs zur Verbesserung beitrugen. Hier sind vor allem die Personen aus dem schweizerischen An-wenderkreis der Luftpermeabilitätsmethode zu nennen. Der vorliegende Bericht wurde auf Antrag der Arbeitsgruppe Brückenforschung im Rahmen des Forschungsauftrags AGB 2002/003 des Bundesamts für Strassen ausgearbeitet. Die Be-gleitkommission A der Arbeitsgruppe Brückenforschung (Mitglieder: Michel Donzel, Dr. Martin Käser, bis Ende 2005: Prof. Dr. F.H. Wittmann, ab Anfang 2006: Willi Schuler, Dr. Fritz Hun-keler) unter der Leitung von Paul Wüst begleitete die Arbeiten. Es sind alle Leserinnen und Leser eingeladen, ihre eigenen Erfahrungen und Kenntnisse dem Autor zugänglich zu machen, um noch mehr Informationen über die zerstörungsfreie Bestim-mung der Luftpermeabilität zu erhalten

Wildegg, im September 2006 Frank Jacobs

Luftpermeabilität als Kenngrösse für die Betonqualität - Einleitung III

Luftpermeabilität als Kenngrösse für die Betonqualität - Einleitung IV

Vorwort Inhaltsverzeichnis Begriffe und Abkürzungen Zusammenfassung Résumé Summary 1 EINLEITUNG ................................................................................................................................................... 1

1.1 ALLGEMEINES ........................................................................................................................................... 1 1.2 DURCHLÄSSIGKEIT VON BETON ............................................................................................................... 3

1.2.1 Vorbemerkung ................................................................................................................................... 3 1.2.2 Permeabilität von Beton ................................................................................................................... 4

2 ZIEL DES PROJEKTES UND VORGEHEN ............................................................................................... 8 2.1 ZIEL........................................................................................................................................................... 8 2.2 VORGEHEN ............................................................................................................................................... 8

2.2.1 Literaturstudie .................................................................................................................................... 8 2.2.2 Laboruntersuchungen ...................................................................................................................... 8 2.2.3 Untersuchungen an Bauwerken ..................................................................................................... 9 2.2.4 Leitfaden zur Untersuchung von Bauwerken................................................................................ 9

3 LITERATUR ................................................................................................................................................... 10 3.1 WASSERGEHALT UND TEMPERATUR IN BETON ..................................................................................... 10 3.2 GAS- UND LUFTPERMEABILITÄT ............................................................................................................. 12

3.2.1 Vorbemerkung ................................................................................................................................. 12 3.2.2 Gaspermeabilität ............................................................................................................................. 13 3.2.3 Luftpermeabilität nach SIA 262/1, Anhang E .............................................................................. 13 3.2.4 Feuchteeinfluss auf Gas- und Luftpermeabilität......................................................................... 19 3.2.5 Temperatureinfluss auf Gas- und Luftpermeabilität................................................................... 23

3.3 ZERSTÖRUNGSFREIE BESTIMMUNG DES WASSERGEHALTES IN BETON ............................................... 24 3.3.1 Vorbemerkung ................................................................................................................................. 24 3.3.2 Spezifischer elektrischer Widerstand ........................................................................................... 24 3.3.3 Relative Luftfeuchtigkeit und Wassergehalt in Beton ................................................................ 29 3.3.4 Kapazitive Verfahren ...................................................................................................................... 30 3.3.5 Weitere Messmethoden ................................................................................................................. 31 3.3.6 Beurteilung der Messmethoden .................................................................................................... 31

3.4 ANFORDERUNGEN AN REPRÄSENTATIVE MESSUNGEN AN BAUTEILEN ................................................. 31 4 LABORUNTERSUCHUNGEN .................................................................................................................... 33

4.1 PROBENHERSTELLUNG UND UNTERSUCHUNGSMETHODEN .................................................................. 33 4.2 LUFTPERMEABILITÄT............................................................................................................................... 35

4.2.1 Porositätsbedingte Korrektur der Luftpermeabilität ................................................................... 35 4.2.2 Einfluss des Alters und der Lagerungsfeuchte ........................................................................... 36 4.2.3 Temperatureinfluss ......................................................................................................................... 39 4.2.4 Luft- und Sauerstoffpermeabilität.................................................................................................. 40

4.3 SPEZIFISCHER ELEKTRISCHER WIDERSTAND ........................................................................................ 43 4.3.1 Einfluss der Lagerungsfeuchte ..................................................................................................... 43 4.3.2 Einfluss der Temperatur................................................................................................................. 44

4.4 BETONFEUCHTE...................................................................................................................................... 45 4.5 LUFTPERMEABILITÄT UND BETONFEUCHTE............................................................................................ 47 4.6 LUFTPERMEABILITÄT UND W/Z-WERT..................................................................................................... 48 4.7 LUFTPERMEABILITÄT UND STANDARDABWEICHUNG .............................................................................. 51

5 UNTERSUCHUNGEN IN DER PRAXIS.................................................................................................... 52 5.1 VORBEMERKUNG .................................................................................................................................... 52 5.2 ERGEBNISSE DER NEUBAUTEN .............................................................................................................. 53

5.2.1 Untersuchte Bauwerke ................................................................................................................... 53 5.2.2 Luftpermeabilität und Standardabweichung................................................................................ 54 5.2.3 Luftpermeabilität in Abhängigkeit von der Lage des Messortes .............................................. 55

Luftpermeabilität als Kenngrösse für die Betonqualität - Einleitung V

5.2.4 Einfluss der Betonfeuchte sowie der Lufttemperatur ................................................................. 57 5.2.5 Luftpermeabilität und w/z-Wert ..................................................................................................... 60 5.2.6 Luftpermeabilität und Oberflächenbehandlung........................................................................... 62 5.2.7 Luftpermeabilität und andere Betoneigenschaften .................................................................... 64

5.3 ERGEBNISSE DER ÄLTEREN BAUWERKE ................................................................................................ 66 5.3.1 Untersuchte Bauwerke ................................................................................................................... 66 5.3.2 Luftpermeabilität und Standardabweichung................................................................................ 67 5.3.3 Einfluss der Betonfeuchte sowie der Lufttemperatur ................................................................. 68 5.3.4 Luftpermeabilität und w/z-Wert ..................................................................................................... 70 5.3.5 Luftpermeabilität und andere Betoneigenschaften .................................................................... 71

6 FOLGERUNGEN........................................................................................................................................... 75 6.1 BETONZUSAMMENSETZUNG, SCHALUNGSEINLAGEN, OBERFLÄCHENSCHUTZSYSTEM ......................... 75 6.2 BETONFEUCHTE...................................................................................................................................... 75 6.3 LUFTPERMEABILITÄT UND ANDERE BETONEIGENSCHAFTEN.................................................................. 76 6.4 AUSWERTUNG DER LUFTPERMEABILITÄTSMESSUNGEN ........................................................................ 78 6.5 RICHTWERTE UND KONFORMITÄTSBEURTEILUNG ................................................................................. 80 6.6 ZUKÜNFTIGER HANDLUNGSBEDARF....................................................................................................... 81

7 LITERATUR ................................................................................................................................................... 83

Anhänge Anhang A: Bestimmung der Rückprallzahl gemäss SN EN 12504-2 Anhang B: Hinweise zur Bestimmung der Luftpermeabilität nach SIA 262/1, Anhang E Anhang C: Prüfberichte zu den Luftpermeabilitätsmessungen vor Ort Anhang D: Weitere Angaben zu den Untersuchungen mit Abbildungen D-1 bis D-15 und Ta-

belle D-1

Luftpermeabilität als Kenngrösse für die Betonqualität - Einleitung VI

Begriffe und Abkürzungen Begriffe Air Permeability Index: Kenngrösse der Luftpermeabilität, gemessen mit dem Autoclam Per-

meation Test; übliche Einheit: [ln(Druck/min)] Chloridmigrationskoeffizient: Durchlässigkeit des Betons gegenüber Chloriden, bestimmt nach

SIA 262/1, Anhang B; übliche Einheit: [10-12 m2/s] effektive Porosität: Der Teil der Gesamtporosität, der mit Luft (nicht Wasser) gefüllt ist und

durch den Gas strömen kann; übliche Einheit: [Vol.-%] oder [-] Gaspermeabilität: Bestimmung der Permeabilität im Labor mit Beton gegenüber inerten Ga-

sen wie z.B. Sauerstoff; die Gaspermeabilität wird z.B. mit der Cembureau-Methode bestimmt und aus Messgrössen berechnet; siehe Abschnitt 3.2.2 auf S. 13; übliche Einheit: [10-16 m2]

Luftpermeabilität kT: Bestimmung der Luftpermeabilität am Bauwerk mit Luft; die Luftpermea-bilität wird z.B. nach SIA 262/1, Anhang E, bestimmt und mit diversen Annahmen be-rechnet; siehe Abschnitt 3.2.3 auf S. 13ff; übliche Einheit: [10-16 m2]

Mittelwert bei Luftpermeabilitätsmessungen: mit den logarithmierten Luftpermeabilitätsmess-werten wird das arithmetische Mittel berechnet; (identisch ist es, das geometrische Mit-tel aus den Luftpermeabilitätsmesswerten zu berechnen); übliche Einheit: [10-16 m2]

Permeabilität: durch einen Druckunterschied bewirkte Durchlässigkeit von Baustoffen gegen-über Gasen und Flüssigkeiten; übliche Einheit: [m2]

Sauerstoffpermeabilität kO: Bestimmung der Permeabilität im Labor mit Sauerstoff; vgl. Gas-permeabilität

Spezifischer elektrischer Widerstand ρ: elektrischer Widerstand von Baustoffen pro Flä-che/Dicke; übliche Einheit: [Ωm] oder [kΩcm]; [10 Ωm = 1 kΩcm]

Standardabweichung bei Luftpermeabilitätsmessungen σ*: mit den logarithmierten Luftperme-abilitätsmesswerten wird die Standardabweichung berechnet; übliche Einheit: [m2]

Torrent Permeability Tester (TPT): Messgerät zur Bestimmung der Luftpermeabilität nach SIA 262/1, Anhang E; siehe Abschnitt 3.2.3 auf S. 13ff

Wennersonde: Gerät zur Bestimmung des spezifischen elektrischen Widerstandes (4-Punkt-Methode); siehe Abschnitt 3.3.2 auf S. 24ff

w/z-Wert: Massenverhältnis Wasser zu Zement, übliche Einheit: [-] w/zeq-Wert: Massenverhältnis Wasser zu Zement, wobei zum Zementgehalt noch reaktive

Zusatzstoffe mit dem k-Wert-Ansatz gemäss SN EN 206-1 angerechnet werden; übli-che Einheit: [-]

Zusatzmittel: Stoff, der während des Mischvorgangs des Betons in kleinen Mengen, bezogen auf den Zementgehalt, zugegeben wird, um die Eigenschaften des Frischbetons oder Festbetons zu verändern. Beispiele sind Fliessmittel oder Luftporenbildner

Zusatzstoff: fein verteilter Stoff, der im Beton verwendet wird, um bestimmte Eigenschaften zu verbessern oder um bestimmte Eigenschaften zu erreichen. In der SN EN 206-1 wer-den zwei Arten von anorganischen Zusatzstoffen erwähnt: • nahezu inerte Zusatzstoffe (Typ I) wie z.B. Gesteinsmehl • puzzolanische oder latenthydraulische Zusatzstoffe (Typ II) wie z.B. Flugasche

(FA) oder Silikastaub (SS)

Luftpermeabilität als Kenngrösse für die Betonqualität - Einleitung VII

Abkürzungen fc: Druckfestigkeit fcm28,cube: mittlere 28-Tage-Würfeldruckfestigkeit; übliche Einheit: [N/mm2] oder [MPa] fcm28,Bohrkern: mittlere 28-Tage-Bohrkerndruckfestigkeit; übliche Einheit: [N/mm2] oder [MPa] FA: Flugasche (Zusatzstoff) FT: Frosttausalz-Widerstand, bestimmt nach SIA 162/1, Prüfung Nr. 9 oder 262/1, Anhang C kO50: Sauerstoffpermeabilität, bestimmt nach Trocknung bei 50 °C; übliche Einheit: [10-16 m2] kO: Sauerstoffpermeabilität; übliche Einheit: [10-16 m2] kT: Luftpermeabilität, bestimmt mit TPT; übliche Einheit: [10-16 m2] PKZ: Portlandkalksteinzement: CEM II/A-LL nach SN EN 197-1. qW: Wasserleitfähigkeit nach SIA 262/1, Anhang A; übliche Einheit: [g/m2⋅h] r.F.: relative Feuchte der Luft; übliche Einheit: [%] T: Temperatur; übliche Einheit: [°C] oder [K] SS: Silikastaub (Zusatzstoff) TPT: Torrent Permeability Tester, Bestimmung der Luftpermeabilität nach SIA 262/1,

Anhang E UE: füllbare Porosität nach SIA 262/1, Anhang A; übliche Einheit: [Vol.-%] w/z, w/zeq: Massenverhältnis Wasser zu Zement und ggf. auf den Zementgehalt anrechen-

bare Zusatzstoffe; siehe unter Begriffe w/z-Wert, w/zeq-Wert. ε: effektive Porosität; übliche Einheit: [Vol.-%] oder [-] ρ: spezifischer elektrischer Widerstand; übliche Einheit [Ωm] oder [kΩcm]; [10 Ωm = 1 kΩcm] σ: Standardabweichung; übliche Einheit: je nach Messgrösse σ∗: Standardabweichung der logarithmierten Luftpermeabilitätsmesswerte;

übliche Einheit: [m2] ∅: Durchmesser; übliche Einheit: [mm] oder [cm] oder [m]

Luftpermeabilität als Kenngrösse für die Betonqualität - Einleitung VIII

Zusammenfassung Viele Fehler und Mängel lassen sich auf den Planungs- und Herstellungsprozess zurückfüh-ren. Qualitätskontrollen an separat hergestellten Prüfkörpern oder am Bauwerk lassen einer-seits Mängel frühzeitig erkennen und führen andererseits zu einem vermehrten Qualitätsbe-wusstsein. Heutzutage werden, sofern überhaupt, vor allem zerstörende Prüfungen an Bau-werken vorgenommen: An aus dem Bauteil entnommenen Bohrkernen werden die Druckfes-tigkeit und/oder die Dichtigkeit des Betons untersucht. Zerstörungsfreie Messmethoden exis-tieren seit längerem, werden jedoch kaum verwendet. Im Rahmen dieses Projektes galt es die Anwendung der zerstörungsfreien Luftpermeabilitätsmessung nach SIA 262/1, Anhang E, für Praxisuntersuchungen abzuklären. Die Methode wurde vor ca. 10 Jahren in der Schweiz an Laborbetonen entwickelt. Zur Abklärung der Praxistauglichkeit wurden Literaturstudien und umfangreiche Versuche im Labor und an neueren (< 5 Jahre) und älteren (20 - 40 Jahre) Bauwerken durchgeführt. Dabei war vor allem Folgendes durchzuführen:

• Ermittlung der üblichen Umgebungsbedingungen bei Bauwerken bezüglich Tempera-tur und relativer Feuchte der Luft

• Ermittlung des Einflusses der Betonzusammensetzung, des Wassergehaltes und der Temperatur des Betons auf die Luftpermeabilität

• Ermittlung der Randbedingungen für die Methode • Ausarbeitung von Hinweisen zur Planung, Ausschreibung, Durchführung der Mess-

methode und Beurteilung der Ergebnisse. Bei den während eines Jahres durchgeführten Versuchen im Labor an fünf Betonen (w/z = 0.40 - 0.60) mit Portlandzement und teilweise mit reaktiven Zusatzstoffen (Flugasche, Sili-kastaub) sowie einem Beton (w/z = 0.50) mit Portlandkalksteinzement zeigte sich Folgendes:

• Betonzusammensetzung: Neben dem w/z-Wert bestimmt auch das Bindemittel (Ze-mentart, Zusatzstoff) die Luftpermeabilität; Beton mit Portlandkalksteinzement oder mit einem Teilersatz von Portlandzement gegen Flugasche oder Silikastaub weist höhere Luftpermeabilitäten als Beton nur mit Portlandzement auf.

• Lagerungsbedingungen: Neben der Betonzusammensetzung wird die Luftpermeabili-tät auch deutlich vom Betonalter, dem Wassergehalt des Betons sowie bei niedrigen Luftpermeabilitäten auch von der Betontemperatur beeinflusst.

• Luftpermeabilitätsmethode: o Bei sehr nassem Beton wird wegen der Wasserverdampfung eine scheinbar

hohe Luftpermeabilität erhalten. o Durch die Verwendung des konstanten Wertes von 15 % für die effektive Poro-

sität wird vom Messgerät eine Luftpermeabilität angezeigt, die bei Beton ca. bei der Hälfte des tatsächlichen Wertes liegt.

• Die Luftpermeabilität von Beton soll mit dem geometrischen Mittel und der Standard-abweichung angegeben werden; die Auswertung soll mit und ohne Extremwerte er-folgen. In Anhang B ist hierzu Näheres enthalten.

Bei den Untersuchungen an realen Bauteilen ergab sich vor allem Folgendes:

• Zusammensetzung: Die Luftpermeabilität lag zumeist in dem Bereich, der gemäss Betonzusammensetzung zu erwarten war.

• Temperatur: Die Luft- und Betontemperaturen sollen > 5 °C liegen. • Betonfeuchte: Der spezifische elektrische Widerstand soll > 10 - 20 kΩcm oder die

kapazitiv bestimmte Betonfeuchte < 5.5 - 6.0 M.-% betragen. • Alter: Bei der Messung an jungen Bauwerken sollte der Beton ein Alter zwischen ca.

1 - 2 Monaten und ca. 1.5 Jahren haben. • Dauerhaftigkeit: Die Luftpermeabilität gibt Hinweise auf Eigenschaften wie Chlorid-

migrationskoeffizient, Karbonatisierungsfortschritt und Wasserleitfähigkeit bzw. Was-seraufnahme.

Die Praxisuntersuchungen an älteren Bauwerken bestätigten, dass mit der Methode der Luft-permeabilität der Schadstoffeintrag in Stahlbeton nur beschränkt beurteilt werden kann, da

Luftpermeabilität als Kenngrösse für die Betonqualität - Einleitung IX

beispielsweise die Karbonatisierung und der Chlorideintrag nicht nur durch das Betongefüge (die Luftpermeabilität), sondern auch sehr deutlich von der Exposition (Wassereintrag in Be-ton, Abstand Betonoberfläche von Strasse, etc.) beeinflusst wird. Aus technischen und ökonomischen Gründen werden zunehmend reaktive Zusatzstoffe und Zemente mit Bestandteilen, die langsamer als Zementklinker reagieren, verwendet. Um tat-sächlich eine Verbesserung der Überdeckungsbetonqualität zu erreichen, ist eine im Ver-gleich zu Beton mit Portlandzement längere Nachbehandlung notwendig. Mit der Methode der Luftpermeabilität kann kontrolliert werden, ob die Nachbehandlung ausreichend war. Basierend auf den Erfahrungen sind in Anhang B "Hinweise zur Bestimmung der Luftpermea-bilität nach SIA 262/1, Anhang E" formuliert. Dort sind auch Hinweise zur Planung, Ausschrei-bung, Durchführung und Beurteilung der Ergebnisse enthalten. In Anhang B sind ebenfalls Richtwerte für ausreichend trockene, geschalte Betonflächen in Abhängigkeit von der Exposi-tionsklasse sowie ein Verfahren für einen Konformitätsnachweis aufgeführt. Nachfolgende Tabelle enthält diese Richtwerte. Für ungeschalte, z.B. abgezogene Flächen liegen zu wenige Informationen vor, um Richtwerte vorzuschlagen.

Tabelle: Vorgeschlagene Richtwerte für die maximale Luftpermeabilität (Anzeige auf dem Ge-rät, d.h. ohne porositätsbedingte Korrektur) von geschalten Flächen in Abhängigkeit von der Expositionsklasse und dem maximalen w/z-Wert für Beton gemäss Tabelle NA.3 der SN EN 206-1; zusätzlich sind Mittelwerte für eine Standardabweichung σ∗ von 0.4 m2 angegeben, welche anzustreben sind, damit mit ca. 85 %-tiger Wahrscheinlichkeit alle Messwerte kleiner als der Maximalwert sind.

Luftpermeabilität Maximalwert geometrischer Mittelwert

bei σ∗ = 0.4

Expositionsklassen max. w/z-Wert [-]

[10-16 m2] XC1, XC2 0.65 1.00 0.40 XC3 0.60 0.60 0.24 XC4, XD1 - XD2, XF1 - XF3 0.50 0.40 0.16 XD3, XF4 0.45 0.20 0.08

Für die Konformitätsbeurteilung, d.h. die Beurteilung, ob die Messwerte die Anforderungen erfüllen, wird folgendes Kriterium vorgeschlagen: log (kTgeometrisches Mittel) + σ∗ ≤ log(kTMaximalwert) Bei diesem Ansatz liegen mit ca. 85 % Wahrscheinlichkeit die Messwerte unterhalb des ge-forderten Maximalwertes. Ist eine Luftpermeabilität von beispielsweise 0.4⋅10-16 m2 gefordert und eine Standardabweichung σ∗ von 0.4 m2 ermittelt worden, darf gemäss der oben genann-ten Gleichung der Logarithmus des geometrischen Mittelwertes maximal bei log(0.4⋅10-16) m2 - ⋅σ∗ = -16.40 m2 - 0.16 m2 = -16.58 m2 liegen, was einer Luftpermeabilität von 0.3⋅10-16 m2 entspricht. In der vorstehenden Tabelle sind geometrische Mittelwerte angegeben, die bei einer Standardabweichung σ∗ von 0.4 m2 zu erreichen sind, um die entsprechenden Maximalwerte einzuhalten. Bisher liegen diverse Erfahrungen zur Bestimmung der Luftpermeabilität nach SIA 262/1 vor. Auf Grund dieser Erfahrungen wird der Einsatz der zerstörungsfreien Prüfung zur Bestim-mung der Dichtigkeit des Überdeckungsbetons empfohlen. Die Empfehlungen in Anhang B sind zu überprüfen und bei Bedarf anzupassen. Seitens Gerätehersteller besteht Handlungs-bedarf bei der Berücksichtigung der effektiven Betonporosität bei der Berechnung der Luft-permeabilität.

Luftpermeabilität als Kenngrösse für die Betonqualität - Einleitung X

Résumé Les erreurs et les défauts ont souvent leur origine dans le processus de planification et de production. Les contrôles de qualité sur des éprouvettes fabriquées séparément ou sur l’ouvrage même permettent un dépistage précoce des défauts et favorisent la prise de cons-cience de la qualité. Aujourd’hui, les essais effectués sur l’ouvrage même sont en général destructifs mesure de la résistance à la compression et/ou de l’étanchéité du béton sur des carottes. Des méthodes non destructives existent depuis longtemps, mais ne sont guère utili-sées. Dans le cadre de ce projet il s’agissait d’étudier l’applicabilité de la mesure de la per-méabilité à l’air selon SIA 262/1, annexe E. La méthode a été développée en Suisse il y a environs 10 ans avec des bétons de laboratoire. Des recherches bibliographiques et d’importants essais, en laboratoire ainsi que sur de nouveaux ouvrages (< 5 ans) et des ou-vrages âgés de 20 à 40 ans, ont été réalisés pour établir l’applicabilité de la méthode. Les questions suivantes ont été traitées:

• Détermination des conditions d’environnement habituelles des ouvrages quant à la température et l’humidité relative de l’air.

• Détermination de l’influence de la composition du béton, de la teneur en eau et de la température du béton sur la perméabilité à l’air.

• Détermination des conditions cadre de la méthode. • Elaboration de recommandations pour la planification, la mise en soumission et la ré-

alisation des mesures ainsi que pour l’interprétation des résultats. Les essais de laboratoire réalisés pendant une année sur cinq bétons (e/c =0.40-0.60) avec du ciment Portland et en partie avec des ajouts réactifs (cendres volantes, fumée de silice) ainsi que sur un béton avec du ciment Portland au calcaire (e/c = 0.50) ont donné les résultats suivants:

• Composition du béton: non seulement le rapport e/c mais aussi le liant (type de ci-ment, ajout) influencent la perméabilité à l’air; un béton avec du ciment Portland au calcaire ou avec un remplacement partiel du ciment Portland par des cendres volan-tes ou de la fumée de silice présente une perméabilité à l’air plus élevée qu’un béton avec uniquement du ciment Portland.

• Entreposage: outre la composition du béton, l’âge et la teneur en eau, ainsi que, pour les faibles perméabilités, la température du béton influencent sensiblement la per-méabilité à l’air.

• Méthode de mesure de la perméabilité à l’air: o Sur un béton très humide, on obtient à cause de l’évaporation d’eau, une per-

méabilité à l’air apparente élevée. o Parce que le calcul de la perméabilité à l’air est basé sur une porosité cons-

tante de 15%, l’instrument de mesure indique pour le béton une perméabilité qui correspond à environ la moitié de la valeur réelle.

• La perméabilité à l’air du béton doit être indiquée par la moyenne géométrique et l’écart type; l’interprétation doit être faite avec et sans les valeurs extrêmes. L’annexe B fournit plus de détails à ce propos.

Les investigations sur ouvrages réels ont surtout donné les résultats suivants:

• Composition: La perméabilité à l’air correspondait le plus souvent aux valeurs que permettaient d’attendre la composition du béton.

• Température: Les températures de l’air et du béton doivent être supérieures à 5°C. • Humidité du béton: La résistance électrique spécifique doit être supérieure à 10 - 20

kΩcm ou l’humidité du béton déterminée par une méthode capacitive ne doit pas dé-passer 5.5 à 6.0%.

• Âge: Pour les nouveaux ouvrages, le béton devrait avoir un âge compris entre 1 à 2 mois et 1.5 ans lors de l’exécution des mesures.

• Durabilité: la perméabilité à l’air donne des indications quant aux propriétés de dura-bilité telles que le coefficient de migration des chlorures, la progression de la carbo-natation et la perméabilité à l’eau, resp. l’absorption d’eau.

Luftpermeabilität als Kenngrösse für die Betonqualität - Einleitung XI

Les mesures effectuées sur des ouvrages anciens confirment que la méthode de la perméabi-lité à l’air ne permet que de façon restreinte une évaluation de la pénétration des agents no-cifs dans le béton armé. La carbonatation et l’apport de chlorures par exemple sont non seu-lement déterminés par la structure du béton (perméabilité à l’air) mais aussi par l’exposition (quantité d’eau ayant pénétré dans le béton, distance de la surface du béton à la route, etc.).

Des ajouts réactifs et des ciments avec des constituants réagissant plus lentement que le clinker du ciment sont utilisés de plus en plus pour des raisons techniques et économiques. Pour effectivement obtenir une amélioration de la qualité du béton d’enrobage, la cure doit être plus longue qu’avec du ciment Portland. On peut contrôler avec la méthode de la per-méabilité à l’air si la cure était suffisante.

Sur la base de ces expériences, l’annexe B fournit des „indications pour la détermination de la perméabilité à l’air selon SIA 262/1, annexe E“. On y trouve également des indications pour la planification, la mise en soumission et l’exécution des mesures ainsi que pour l’évaluation des résultats. L’annexe B contient en plus des valeurs indicatives (dépendant de la classe d’exposition) pour des surfaces de béton coffrées et suffisamment sèches, ainsi qu’une pro-cédure de vérification de la conformité. Le tableau suivant donne ces valeurs indicatives. Pour des surfaces non coffrées, p.ex. talochées, on ne dispose pas d’informations suffisantes pour proposer des valeurs indicatives.

Tableau: Valeurs indicatives proposées pour une perméabilité à l’air maximale (affiche sur l’instrument, c. à d. sans correction par la porosité) des surfaces coffrées en fonction de la classe d’exposition et du rapport e/c maximal du béton selon le tableau NA.3 de la SN EN 206-1; en plus sont indiqués les moyennes pour un écart-type σ∗ de 0.4 m2, qui sont à attein-dre, afin que tous les résultats de mesure soient inférieurs à la valeur maximale avec une pro-babilité d’env. 85%.

Perméabilité à l’air Valeur maximale Moyenne géométrique

σ∗ = 0.4

Classes d’exposition Rapport max. e/c

[-] [10-16 m2]

XC1, XC2 0.65 1.00 0.40 XC3 0.60 0.60 0.24 XC4, XD1 - XD2, XF1 - XF3 0.50 0.40 0.16 XD3, XF4 0.45 0.20 0.08

Pour l’évaluation de la conformité, c. à d. la vérification que tous les résultats de mesure rem-plissent les exigences, on propose le critère suivant:

log(kTmoyenne géométrique) + σ∗ ≤ log (kTvaleur maximale)

Avec ce critère, les résultats de mesure sont inférieurs à la valeur maximale admise avec une probabilité d’env. 85%. Si l’on exige p.ex. une perméabilité à l’air de 0.4⋅10-16 m2 et on obtient un écart-type σ∗ de 0.4 m2, le logarithme de la moyenne géométrique peut s’élever au maxi-mum à (voir équation ci-dessous):

log(0.4⋅10-16) m2 - σ∗ = -16.40 m2 - 0.16 m2 = -16.58 m2.

Ceci correspond à une perméabilité à l’air de 0.3⋅10-16 m2. Dans le tableau ci-dessus figurent les moyennes géométriques, qui sont à atteindre pour un écart-type σ∗ de 0.4 m2, afin de pouvoir respecter les valeurs maximales correspondantes. Jusqu’à présent, diverses expériences avec la détermination de la perméabilité à l’air selon SIA 262/1 sont disponibles. Sur la base de ces expériences, l’utilisation de la méthode non destructive est recommandée pour la détermination de l’étanchéité du béton d’enrobage. Les recommandations de l’annexe B sont à contrôler et le cas échéant à adapter. Il appartient aux fabricants des instruments de mesure d’améliorer leurs appareils pour prendre en compte la porosité effective du béton lors du calcul de la perméabilité à l’air.

Luftpermeabilität als Kenngrösse für die Betonqualität - Einleitung XII

Summary Many defects and non-conformities can be related to the planning and manufacturing process. A quality control on separately manufactured specimens or on structural members of a struc-ture allows the early detection of non-conformities. Additionally, quality control leads to in-creased quality awareness. Nowadays destructive tests on the structure, if any, are mainly carried out: The compressive strength and/or tightness of concrete are determined on cores taken from the structural member. Non-destructive tests exist since quite a long time, but are rarely used. In the framework of this project it was aimed at to clarify the practical applicability of the non-destructive air permeability measurement, which is carried out according to stan-dard SIA 262/1, annex E. The method was developed on concrete in a Suisse laboratory approx. 10 years ago. To clarify the practical applicability, a literature survey and comprehen-sive investigations were carried out in the laboratory on both new (< 5 years) and older (20 - 40 years) structures. The following has to be elaborated primarily:

• identification of the usual environmental conditions for structures, namely tempera-ture and relative humidity of air

• identification of the influence of composition, moisture content and temperature of concrete on air permeability

• identification of the boundary conditions for the applicability of the method • elaboration of instructions for planning, tender, execution of the measuring method

and the evaluation of the results. The investigations in the laboratory were carried out during one year on five concretes (w/c-ratio: 0.40 – 0.60) containing Portland cement and partly with mineral additions (fly ash, silica fume) as well as one concrete (w/c-ratio = 0.50) containing Portland limestone cement. The main conclusions are:

• Concrete composition: w/c-ratio as well as type of binder (cement type, mineral addi-tions) influence air permeability. Concrete containing Portland limestone cement or Portland cement with a partial replacement by fly ash or silica fume leads to higher air permeability than concrete consisting only of Portland cement.

• Storage conditions: In addition to the concrete composition air permeability is influ-enced significantly by the age and the water content of concrete. At low air perme-ability an influence of temperature was also found.

• Air permeability measuring method: o If concrete is very wet, the evaporation of water leads to an apparent high air

permeability. o Due to the application of a constant value of 15 Vol.-% of porosity for the calcu-

lation of the air permeability, an air permeability is indicated by the measuring device, which is approx. half of the literal air permeability of concrete.

• The representative air permeability for concrete should be given by the geometrical mean and the standard deviation; the data evaluation has to be made with and with-out considering extreme values. In annex B more details are given.

The investigations on structural members led to the following conclusions:

• Concrete composition: Air permeability corresponds mainly to the expectations based on the concrete composition.

• Temperature: Air and concrete temperature should be > 5 °C. • Moisture content of concrete: The specific electrical resistance should be > 10 - 20

kΩcm or the moisture content, determined by capacitive means, < 5.5 - 6.0 mass-%. • Age: At the time of measurement, on young structures the concrete should have an

age between approx. 1 - 2 months and approx. ca. 1.5 years. • Durability: Air permeability indicates durability properties like chloride migration coef-

ficient, carbonation progress and capillary suction of water. The practical investigations on older structures confirm that the entry of harmful substances into concrete cannot be solely estimated by air permeability measurements, because for in-

Luftpermeabilität als Kenngrösse für die Betonqualität - Einleitung XIII

stance carbonation progress and chloride infiltration are not only influenced by the fabric of the concrete (air permeability) but also significantly by the exposure (water uptake of concrete, distance of concrete surface from road, etc.). Due to technical and economical reasons mineral additions and cement containing constitu-ents, which react more slowly than cement clinker, are used in increasing amounts. To im-prove in practice the quality of the cover concrete, a longer curing is necessary than for con-crete made with Portland cement. Using the air permeability method, it can be proven that curing was sufficient. Based on the experience, in annex B " instructions for the determination of air permeability according to standard SIA 262/1, annex E" are given. Instructions for planning, tender, execu-tion of the measuring method and the evaluation of the results are enclosed. Annex B also contains recommended maximum values for sufficiently dry, formed concrete surfaces as function of the exposure class and a proposal for a procedure for the conformity control. The following table contains these recommended values. For non-formed concrete, e.g. trowelled surfaces, too little information is available to propose recommended values.

Table: Proposed recommended values for maximum air permeability (as read off from the in-strument, i.e. without a correction for porosity) for formed concrete surfaces as function of the exposure class and the maximum w/c-ratio acc. table NA.3 of SN EN 206-1; additionally mean values for a standard deviation σ∗ of 0.4 m2 are given, which should be achieved, so that with a probability of approx. 85 % of all measured values are below the maximum values

air permeability maximum value geometric mean value

for σ∗ = 0.4

Exposure class max. w/c-ratio [-]


For the conformity control, i.e. to evaluate if the measured values meet the demands, follow-ing criteria is proposed: log(kTgeometric mean) + σ∗ ≤ log(kTmaximum value) With this approach 85 % of all values lay with a probability of approx. 85 % below the recom-mended maximum value. If an air permeability of for instance 0.4⋅10-16 m2 is required and a standard deviation σ∗ of 0.4 m2 is achieved, the logarithm of the geometric mean should be, according to the above given equation, in maximum log(0.4⋅10-16) m2 - σ∗ = -16.40 m2 - 0.16 m2 = -16.58 m2, which is equal to an air permeability of 0.3⋅10-16 m2. In the above mentioned table geometric mean values are listed, which comply with the recommended maximum values, if the standard deviation is 0.4 m2. Up to now, various information of the determination of air permeability according to SIA 262/1 is available. Based on this experience the application of the air permeability according to SIA 262/1 can be recommended as non-destructive method to determine the impermeability of the cover concrete. The recommendations in annex B should be permanently controlled and if necessary adapted. On the manufactures part, action is required to account for actual porosity in calculating air permeability.

Luftpermeabilität als Kenngrösse für die Betonqualität - Einleitung 1

1 Einleitung

1.1 Allgemeines In den letzten Jahrzehnten ist erkannt worden, dass bei Bauwerken die häufigsten Schäden durch eine ungenügende Dauerhaftigkeit1 und nicht durch eine ungenügende Festigkeit verur-sacht wurden. Die Qualität und Dicke des Überdeckungsbetons bestimmt in den meisten Fäl-len die Dauerhaftigkeit der Bauwerke. Die Eigenschaften des Überdeckungsbetons sind je-doch nicht nur von der Betonzusammensetzung sondern auch vom Einbau und von der Nachbehandlung auf der Baustelle abhängig. Insbesondere bei der Verwendung von relativ langsam reagierenden Zusatzstoffen wie Flugaschen oder manchen Zementen kann eine ungenügende Nachbehandlung zu einer erheblichen Verschlechterung der Qualität des Über-deckungsbetons führen. Die Ursachen von Fehlhandlungen auf der Baustelle, die zu Schäden führen können, sind sehr verschieden (Tabelle 1). Matousek et al. analysierte über 800 Versicherungsfälle im Be-reich Massivbau in Deutschland. Danach werden 44 % der Schadensfälle bzw. 72 % der Schadenssumme durch Fehlhandlungen am Tragwerk verursacht. 37 % aller Schadensfälle können auf Fehlhandlugen bei der Planung und 35 % auf Ausführungsfehler zurückgeführt werden. Durch zusätzliche Kontrollen (ausreichende Qualitätssicherung) während der Ausfüh-rung hätten 17 % von 493 näher analysierten Schadensfällen vermieden werden können. Et-wa jeder fünfte Schaden könnte folglich durch eine verbesserte Qualitätssicherung erkannt und behoben werden. Zu solchen, vermeidbaren Schäden sind Schäden zu rechnen, die z.B. durch Unzulänglichkeiten bei der Betonzusammensetzung, dem Einbau und der Nachbehand-lung entstehen.

Tabelle 1: Schadensursachen und Auswirkungen nach Matousek et al., zitiert in Hansen (2004)

Angaben [%] Alle Scha-densfälle

Schadens-summe

Personen-schäden

bewusst akzeptiertes Risiko Fehlhandlungen der Beteiligten

25 75

10 90

15 85

Tragwerkskomponenten • Baugrube, Bauinstallationen • Lehrgerüst, Hilfskonstruktionen • Tragwerk • sonstiges

12 9

44 45

4

11 72 13

13 22 48 17

Fehlhandlung bei • Planung • Ausführung • Planung und Ausführung • sonstige

37 35 18 10

40 20 22 18

20 46 20 14

Die Qualität des eingebauten Betons kann nur durch eine Untersuchung am Bauwerk be-stimmt werden, da separat hergestellte Probekörper sich z.B. bei der Verdichtung und der Nachbehandlung unterscheiden. Grundsätzlich ist die Entnahme von Bohrkernen aus dem Bauwerk oder die Untersuchung des Bauwerks vor Ort möglich. Idealerweise sollte die Unter-suchung am Bauwerk möglichst frühzeitig und zerstörungsfrei erfolgen. Werden Bohrkerne entnommen, kann daran z.B. die Bohrkerndruckfestigkeit nach SN EN 12504-1 mit Auswer-tung nach SN EN 13791 oder die Wasserleitfähigkeit nach SIA 262/1 bestimmt werden. Am 1 SIA 260: Dauerhaftigkeit: Erfüllung der Anforderungen an Tragsicherheit und Gebrauchstauglichkeit im Rahmen der vorgesehenen Nutzung und der vorhersehbaren Einwirkungen, ohne unvorhergesehenen Aufwand für Instand-haltung und Instandsetzung.


Bauwerk kann beispielsweise zerstörungsfrei die Rückprallzahl nach SN EN 12504-2, die Ult-raschallgeschwindigkeit nach SN EN 12504-4 oder die Permeabilität nach SIA 262/1, Anhang E (siehe unten) bestimmt werden. Heutzutage wird die Qualität des fertig erstellten Bauwerks zumeist nur dann kontrolliert, wenn Zweifel an der Qualität des eingebauten Betons bestehen. Dies erfolgt auch vor dem Hintergrund, dass ein Bauherr einerseits zerstörende Prüfungen kurz nach der Fertigstellung nur ungern toleriert und andererseits wegen dem Mangel an für die Dauerhaftigkeit aussagekräftigen, zerstörungsfreien Prüfmethoden. Zur Qualitätskontrolle am Bauwerk wurden schon zu Beginn der 90er Jahre im Rahmen von zwei ASTRA-Projekten verschiedene Methoden zur Charakterisierung der Betonqualität durch die Bestimmung der Dichtigkeit von Beton im Labor und in einigen wenigen Feldversuchen untersucht (Torrent & Ebensperger 1993, Torrent & Frenzer 1995). Dabei erwies sich die zer-störungsfreie Messung der Luftpermeabilität (Methode Torrent) als eine geeignete Methode. Als grosser Vorteil dieser Methode wurde genannt, dass eine Materialkenngrösse, nämlich die Luftpermeabilität, und nicht ein methodenspezifischer Kennwert ermittelt wird. Zudem ist die Prüfung zerstörungsfrei. Die Autoren folgerten aus ihren Studien, dass in einem weiteren Schritt die Methode in der Praxis angewendet werden soll. Diese positive Beurteilung bewog die schweizerische Firma proceq, die in den genannten Arbeiten entwickelte Methode in ei-nem kommerziell erhältlichen Gerät umzusetzen (Torrent-Permeability-Tester TPT). Bisher werden Luftpermeabilitätsmessungen an Bauwerken nur wenig verwendet: So wurde die Torrent-Methode z.B. beim Tagbautunnel von Champ Baly (Simon et al. 2001), bei ver-schiedenen Brücken (Roelfstra 2001, Brühwiler et al. 2005) und beim Bau des neuen Münch-ner Fussballstadions (Kubens et al. 2005) versuchsweise angewendet. Die in den vergange-nen Jahren in der TFB mit diesem Gerät gesammelten Erfahrungen im Hoch- und Tiefbau zeigten, dass die im Rahmen der damaligen ASTRA-Projekte vorgeschlagene Feuchtekorrek-tur u.a. wegen dem Einfluss der Zementart und der Verwendung reaktiver Zusatzstoffe prob-lematisch sein kann. Dies und unzureichende Informationen zur Beurteilung der Messwerte bewirkten, dass die Methode kaum angewandt wurde. Die Luftpermeabilität als Kenngrösse für die Betondichtigkeit wird auch für die Modellierung, d.h. für Lebensdauerbetrachtungen, verwendet. So untersuchte Roelfstra (2001) mittels nu-merischer Simulation den Einfluss der Dichtigkeit und der Dicke des Überdeckungsbetons auf den Korrosionsfortschritt der Bewehrung im Stahlbeton. Die Dichtigkeit wurde u.a. mit der Luftpermeabilität nach Torrent bestimmt. Roelfstra kam zu folgendem Schluss: „Diese For-schungsarbeit zeigt die Notwendigkeit, die Permeabilität und die Dicke des Überdeckungs-betons mit zerstörungsfreien Prüfmethoden zu messen … . Diese Werte sind von grösster Bedeutung, um die Zustandsentwicklung von Strassenbrücken aus Beton vorherzusagen.“ Im Rahmen des ASTRA-Projektes „Dauerhaftere Kunstbauten bei Null-Unterhalt“ des EPFL-MCS (Brühwiler et al. 2005) werden die in der Dissertation Roelfstra gewonnenen Erkenntnisse erweitert und vertieft. An einem RILEM Workshop in Madrid (RILEM 2006) wurden Ergebnisse von Arbeiten von diversen Kontinenten vorgestellt, die sich mit der Bestimmung der Luft- und/oder Gaspermeabilität zur Beurteilung der Dauerhaftigkeit befassen. Im Rahmen der RILEM-Arbeitsgruppe „Non-destructive evaluation of cover concrete (NEC RILEM TC 189) wurden im Labor verschiedene Methoden zur Bestimmung der Permeabilität des Überdeckungsbetons am Bauwerk untersucht (Romer 2005b). Dabei erwies sich die Luft-permeabilität nach Torrent als eine geeignete Methode (Tabelle 2), weil damit sechs von sie-ben Testbedingungen (verschiedene Betonsorten, Lagerungsfeuchten, Lagerungstemperatu-ren) zuverlässig unterschieden werden konnten, eine geringe Streuung der Messwerte vor-handen war und die Methode relativ schnell und zerstörungsfrei ist.


Tabelle 2: Ergebnisse des RILEM-Vergleichsversuchs, aus Romer (2005b)

Transportmechanismus Luftpermeabilität kapillares

Saugen

spez. elektr. Wi-derstand

Aspekt \ Methode Autoclam Air

Hong-Parrot

Tor-rent

Autoclam Sorptivity

Wenner

signifikante Unterscheidung der Untersuchungsbedingungen 5 / 7 5 / 7 6 / 7 6 / 7 5 / 7

Korrelationskoeffizient* 0.67 0.92 0.97 0.47 0.83 Anzahl Messungen 3 4 6 3 20 Messdauer [min] 69 120 99 69 14 Anzahl x Grösse [mm] Bohrlöcher 9 x 6 4 x 20 - 9 x 6 - *mit Referenzmethode; bei der Luftpermeabilität war die Cembureau-Methode (siehe Abschnitt 3.2.2 auf S. 13) die Referenzmethode Da die zerstörungsfreie Prüfung der Qualität des Überdeckungsbetons vor Ort am fertigen Bauteil von der SIA-Normenkommission 262 "Betonbau" als sehr wichtig erachtet wurde, fand die Luftpermeabilitätsprüfung - trotz der noch fehlenden Anleitung zur Durchführung und der nicht vorhandenen Hinweise zur Interpretation - Eingang in Absatz 6.4.2.2 der SIA-Norm 262 für Betonbauten: "Die erreichte Dichtigkeit des Überdeckungsbetons ist mit Durchlässigkeits-prüfungen (z.B. Luftpermeabilitätsmessungen) am Bauwerk oder an vom Bauwerk entnom-menen Bohrkernen zu überprüfen." In der Zusatznorm SIA 262/1, Anhang E, ist die Luftper-meabilitätsprüfung näher beschrieben. Mit diesem Projekt sollen wesentliche Fragen zur Anwendung, Durchführung und Interpretati-on der Luftpermeabilitätsmessung beantwortet (siehe Kapitel 2 auf S. 8ff) und so die Basis geschaffen werden, um die zerstörungsfreie Messmethode auf breiter Ebene in der Praxis zur Qualitätskontrolle am fertig erstellten Bauwerk einzuführen und anzuwenden.

1.2 Durchlässigkeit von Beton

1.2.1 Vorbemerkung Der Schadstoffeintrag in Beton findet über dessen Poren statt. Je durchlässiger ein Beton ist, desto mehr Schadstoffe können in der Regel in den Beton eingetragen werden. Die Durchläs-sigkeit von Beton kann durch drei Transportmechanismen beschrieben werden:

• Diffusion: Der Transport findet wegen dem Konzentrationsunterschied zwischen z.B. dem Kohlendioxidgehalt in der das Betonbauteil umgebenden Luft und dem in den lufterfüllten Poren des Betons statt.

• kapillares Saugen: durch die Oberflächenspannung wird z.B. tausalzhaltiges Wasser in die Poren des Betons gesaugt.

• Permeabilität: Wirkt unter Druck stehendes Wasser auf eine Seite einer Wand ein, dringt dieses in die Wand; z.B. kann betonaggressives Wasser bei Wänden im Grundwasser in den Beton hineingedrückt werden.

Um einen für die geplante Lebensdauer ausreichend dauerhaften Beton zu erhalten, wird z.B. die Durchlässigkeit von Beton in Abhängigkeit von der Umwelteinwirkung (Expositionsklasse gemäss SIA 262) indirekt festgelegt. In der SN EN 206-1 ist in Tabelle NA.3 angegeben, bei welcher Expositionsklasse welche Anforderungen an den Beton bestehen. Die Durchlässigkeit ist darin nicht selber spezifiziert, sondern der w/z-Wert, der einen losen Zusammenhang mit der Durchlässigkeit (Jacobs 1994) aufweist. Zusätzlich kann in der Ausschreibung auch die Durchlässigkeit von Beton als Betoneigenschaft (unter Angabe der Prüfung und Anforderun-gen) gefordert werden.


1.2.2 Permeabilität von Beton Aus vielen Untersuchungen (z.B. Kropp & Hilsdorf 1995) ist bekannt, dass die Gaspermeabili-tät mit der Diffusion und dem kapillaren Saugen korreliert. Da die Bestimmung des Diffusions-koeffizienten (Diffusionswiderstandes) üblicherweise (inklusive Probenvorbereitung) Wochen dauert, wird diese Methode wenig verwendet. Die Bestimmung des kapillaren Saugens von Beton dauert mindestens ähnliche lange wie die Bestimmung der Permeabilität. Mit dem Tor-rent Permeability Tester besteht jedoch ein Messgerät, welches gemäss RILEM-Vergleichsversuch (Tabelle 2) schnell, zuverlässig und absolut zerstörungsfrei die Luftperme-abilität bestimmen lässt. Zur Gaspermeabilität (Gasdurchlässigkeit) von Beton liegen viele Ergebnisse von Laborunter-suchungen vor. Dabei werden meistens dem Beton gegenüber inerte Gase wie Wasserstoff oder Sauerstoff benutzt. In Jacobs (1994) ist ein umfassender Überblick über den Einfluss der Betonzusammensetzung und der Lagerungsbedingungen auf die Gaspermeabilität gegeben. Die wenigen bestehenden Grenzwerte werden in Jacobs (1999) erläutert. Dort werden auch Grenzwerte u.a. in Abhängigkeit von der Betonzusammensetzung für gut nachbehandelten Beton vorgeschlagen (Tabelle 3).

Tabelle 3: Grenzwerte zur Beurteilung der Dauerhaftigkeit von Beton (Alter ≤ 1.5 Jahre) mit verschiedenen Zementarten (CEM I, CEM II/A-L, CEM II/A-M) aufgrund der Gaspermeabilität (Methode Cembureau); zusätzlich sind entsprechende Dauerhaftigkeitseigenschaften (FTW = Frost-Tausalz-Widerstand, Würfelprüfverfahren nach prEN 12390-9; FW = Frostwiderstand) angegeben, aus Jacobs (1999).

Klasse Gaspermea-bilität [m²]

Erreichbar durch gut nachbehandelten Beton mit w/z [-]

Schnellkarbonatisie-rungstiefe bei 100% CO2

nach 9 Tagen [mm]

FTW nach SIA 162/1, Nr. 9 [g/m2]

FW [M.-%]

Sehr schlecht > 10 10-16 Schlecht < 10 10-16 0.80 50 Genügend < 1 10-16 0.60 20 < 500 < 5 Gut < 0.5 10-16 0.50 Sehr gut < 0.1 10-16 0.40 10 < 100 < 1

Die Betonfeuchte hat einen sehr starken Einfluss auf die Gaspermeabilität (z.B. Kropp & Hils-dorf, Jacobs 1994 und 1998, Badawy & Honegger 2002). In Abbildung 1 ist der Einfluss der Wassersättigung der Poren auf die Gaspermeabilität von Beton mit einem w/z-Wert von 0.80 dargestellt. Der Beton weist bei niedrigen Wassersättigungen (< 0.1) Gaspermeabilitäten bis über 1⋅10-16 m2 und bei hohen Sättigungen von unter 0.01⋅10-16 m2 auf. Bei Wassersättigun-gen grösser als etwa 0.9 wurde kein Gasfluss durch die Proben gemessen, d.h. der Beton war gasdicht im Sinne der Prüfung. Eine relativ niedrige Gaspermeabilität von 0.1⋅10-16 m2 kann folglich mit einem porösen Beton und relativ hoher Wassersättigung oder einem dichten, tro-ckenen Beton (w/z = 0.40, siehe Tabelle 3) erzielt werden. Die Ergebnisse von verschiedenen Luftpermeabilitätsmessungen können daher nur an Beton mit ähnlichen und niedrigen Feuch-tigkeitsgehalten direkt verglichen und beurteilt werden. Ist der Beton zu feucht, muss das Messergebnis vor der Bewertung um den Einfluss der Feuchte korrigiert werden.


0.001

0.01

0.1

1

10

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1degree of saturation [-]

gas

perm

eabi

lity

[10-1

6 m²]

Abbildung 1: Gaspermeabilität von Beton mit einem w/z-Wert von 0.80 in Abhängigkeit von der Betonfeuchte (Sättigungsgrad der Poren: 0: Poren luftgefüllt; 1: Poren wassergefüllt) (Ja-cobs 1998).

Die Korrektur der Luftpermeabilität um den Einfluss der Betonfeuchte soll gemäss Torrent & Ebensperger mit dem spezifischen elektrischen Widerstand erfolgen (Abbildung 2). Gemäss diesem Vorschlag ändert sich die Einstufung der Luftpermeabilität in die Permeabilitätsklas-sen 1 - 5 nicht, sofern der spezifische elektrische Widerstand generell oberhalb von etwa 25 kΩcm liegt; bei den Permeabilitätsklassen 3 - 5 liegt diese Grenze beim spezifischen elek-trischen Widerstand tiefer und zwar zwischen etwa 1 - 10 kΩcm.

Abbildung 2: Diagramm zur Einteilung der Luft-permeabilitätswerte und spezifischen elektri-schen Widerstände in 5 Permeabilitätsklassen, aus Torrent & Ebens-perger (1993).

Die Korrektur der Gaspermeabilität um den Einfluss der Betonfeuchte mittels des spezifischen elektrischen Widerstandes ist jedoch nicht einfach, da der spezifische elektrische Widerstand neben der Feuchte auch von der Betonzusammensetzung, vom Betonalter und der Alterung (z.B. Karbonatisierung) beeinflusst wird (z.B. Breit 2001, Hunkeler 1993, Hunkeler & Holtz-hauer 1994, IBWK, Castellote et al. 2001, Polder 2000). In Tabelle 4 ist der spezifische elekt-rische Widerstand von Beton mit verschiedenen Zementarten und Zusatzstoffen in Abhängig-keit von der Lagerung gemäss RILEM TC 154 (Polder 2000) aufgeführt. Der grosse Einfluss sowohl der Zementart als auch der Exposition und somit die Schwierigkeit, aus dem spezifi-schen elektrischen Widerstand auf die Feuchte eines unbekannten Betons zu schliessen, ist ersichtlich. Nach dieser Tabelle ergibt sich für eine Betonfeuchte im Gleichgewicht mit einer Luft von maximal 80 % r.F. ("outside, sheltered") ein minimaler spezifischer elektrischer Wi-


derstand bei Beton mit Portlandzement von etwa 200 - 500 Ωm (20 - 50 kΩcm) 2 und bei Be-ton mit z.B. Hochofenschlacke von etwa 1000 - 4000 Ωm (100 - 400 kΩcm). Gemäss Polder (2000) und Ungricht (2004) bedeutet ein spezifischer elektrischer Widerstand von maximal 25 kΩcm (Grenze in Torrent & Ebensperger, 1993, Abbildung 2) einen feuchten bis nassen Be-ton, d.h. Beton dessen Feuchtigkeit im Gleichgewicht mit Luft mit einer relativen Luftfeuchtig-keit von 80 bis 90 % steht.

Tabelle 4: Spezifischer elektrischer Widerstand, gemessen an der Betonoberfläche in Abhän-gigkeit von der Zusammensetzung und Exposition, aus Polder (2000).

Concrete resistivity ρconcrete (Ω m)

Environment Ordinary Portland cement con-crete (CEM I)

Blast furnace slag (> 65% slag, CEM III/B) or fly ash (> 25%) cement or silica fume (> 5%)

concrete

Very wet, submerged, splash zone, [fog room] 50 - 200 300 - 1000

Outside, exposed 100 - 400 500 - 2000

Outside, sheltered, coated, hy-drophobised* [20°C / 80% r.h.], not carbonated

200 - 500 1000 - 4000

ditto, carbonated 1000 and higher 2000 - 6000 and higher

indoor climate (carbonated), [20°C / 50% r.h.] 3000 and higher 4000 - 10.000 and higher

*Erfahrungen der TFB und auch von Brühwiler et al. (2005) zeigen, dass die in der Tabelle 4 angegebenen Werte u.a. für Beschichtungen und Hydrophobierungen nicht immer zutreffen, d.h., dass der gemessene spezifische elekt-rische Widerstand sehr viel höher sein kann. Zu beachten ist auch, dass bei der Messung des spezifischen elektrischen Widerstandes mit der Wennermethode nicht das gleiche Betonvolumen berücksichtigt wird, welches die Luft-permeabilität bestimmt. Nimmt in Folge Trocknung die Feuchtigkeit im Beton mit zunehmen-dem Abstand von der Bauteiloberfläche zu, kann die Luftpermeabilität vor allem durch den ausgetrockneten (äusseren) Betonbereich und der spezifische elektrische Widerstand durch den feuchten (inneren) Betonbereich massgeblich beeinflusst werden. Hinweise zum Einfluss und ggf. der Korrektur des Temperatureinflusses auf die Luftpermeabi-lität liegen von Torrent & Ebensperger (1993) oder Torrent & Frenzer (1995) nicht vor.

2 10 Ωm = 1 kΩcm; siehe Abschnitt 3.3.2.1 auf S. 24f


Die TFB setzte die Torrent-Methode vor Projektbeginn bei der Untersuchung von etwa einem Dutzend Bauwerken ein. Bei der Instandsetzung des Schöneichtunnels in der Stadt Zürich im Jahr 2001 wurde die Luftpermeabilitätsmessung (Torrent-Methode) sowohl bei den Vorversu-chen wie auch während der Ausführung versuchsweise eingesetzt und u.a. deren Ergebnisse mit dem kapillaren Saugen an Bohrkernen (u.a. Wasserleitfähigkeit nach SIA 162/1) vergli-chen (Jacobs & Hunkeler 2001). Die gemessenen Luftpermeabilitäten vor Ort (< 0.1 10-16 m2) entsprachen den Erwartungen aufgrund der Betonzusammensetzung und Nachbehandlung. Zwischen der Beurteilung der Ergebnisse der Luftpermeabilität und dem kapillaren Saugen bestätigte sich die z.B. in Torrent & Ebensperger (1993) und Jacobs (1999) vorgestellte gute Übereinstimmung (Abbildung 3). Haarrisse beeinflussen erwartungsgemäss die Luftpermea-bilität deutlich stärker als das kapillare Saugen.

0.01

0.1

1

10

1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 1 2 3

48 Ost 45 A3 44 West 44 Mitte

Gas

perm

eabi

lität

[10-1

6 m2 ]

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

kapi

llare

s Sa

ugen

[g/m

2 ]

Gaspermeabilitätkapillares Saugen

Abbildung 3: Luftpermeabili-tät und kapilla-res Saugen von SVB im Schön-eichtunnel; die Luftpermeabili-tät wurde vor Ort, das kapilla-re Saugen im Labor bestimmt. Ein kapillares Saugen von 1600 g/m2 ent-spricht bei einer Bauteildicke von 200 mm einer Wasserleitfähig-keit von etwa 4 g/m2h, aus Ja-cobs & Hunkeler (2001).

Luftpermeabilität als Kenngrösse für die Betonqualität - Ziel des Projektes und Vorgehen 8

2 Ziel des Projektes und Vorgehen

2.1 Ziel Mit dem Projekt sollten die Grundlagen für die sichere Beurteilung bzw. Interpretation der Re-sultate erarbeitet und die Details der Anwendung geklärt werden. Zudem galt es die Grenzen bei der Anwendung der Torrent-Methode abzustecken. Für die sichere Beurteilung bzw. Interpretation der Resultate sind vorab • der Zusammenhang zwischen der Luftpermeabilität und der Betonfeuchtigkeit bzw. dem

Wassersättigungsgrad (dem spezifischen elektrischen Widerstand als indirekte Messgrös-se) und

• der Einfluss der Betonzusammensetzung (w/z-Wert, Zementart, Betonzusatzstoff) auf die Luftpermeabilität und den spezifischen elektrischen Widerstand

von entscheidender Bedeutung. Hierzu wurden Labor- und Felduntersuchungen durchgeführt. Im Rahmen des Projektes wurden neben der Methode zur Bestimmung des spezifischen elektrischen Widerstandes weitere Methoden zur Bestimmung der Betonfeuchte (BAM, BB 1994) evaluiert, eine davon ausgewählt (kapazitive Feuchtigkeitsmessung) und eingesetzt. Die Fragen der Anwendung betreffen sämtliche Schritte von der Bestellung (Ausschreibung) bis zur Beurteilung. Hierzu ist ein Leitfaden (siehe Anhang B) mit Hinweisen zu den folgenden Themen erarbeitet worden: • Ausschreibung der Messmethode • Planung und Durchführung der Messung • Beurteilung der Messergebnisse in Abhängigkeit von den Expositionsklassen gemäss SN

EN 206-1:2000 bzw. dem gemäss Tabelle NA.3 der SN EN 206-1 für die jeweilige Exposi-tionsklasse spezifizierten w/z-Wert.

2.2 Vorgehen

2.2.1 Literaturstudie Es wurde eine Literaturstudie durchgeführt zur Ermittlung • üblicher Bauteilfeuchten und -temperaturen • verschiedener Einflüsse (z.B. Betonzusammensetzung, Feuchtegehalt, Feuchteverteilung,

Alterung, Alter) auf den spezifischen elektrischen Widerstand von Beton • weiterer Möglichkeiten (neben dem spezifischen elektrischen Betonwiderstand) zur Be-

stimmung des Feuchtegehalts in Beton • der Anforderungen an repräsentative Luftpermeabilitätsmessungen an Bauteilen • der Möglichkeiten und Grenzen von Luftpermeabilitätsmessungen an Bauwerken. Die Ergebnisse sind in Kapitel 3 ab S. 10ff enthalten.

2.2.2 Laboruntersuchungen Im Rahmen der Laboruntersuchungen wurde für verschiedene Betone der Zusammenhang zwischen der Luftpermeabilität nach SIA 262/1 und dem Feuchtegehalt ermittelt. Folgende Arbeiten wurden hierzu durchgeführt: • Herstellung von Betonen mit unterschiedlichen w/z-Werten (0.40, 0.50, 0.60), Zementen

(Portlandzement, Portlandkalksteinzement) und mit/ohne Betonzusatzstoffen (Flugasche, Silikastaub)

Luftpermeabilität als Kenngrösse für die Betonqualität - Ziel des Projektes und Vorgehen 9

• Lagerung der Prüfkörper bei verschiedenen relativen Luftfeuchten (50, 70, 90 % r.F.) und Temperaturen (5, 20, 30 °C)

• Messung der Luftpermeabilität nach SIA 262/1 an den Prüfkörpern nach 28, 90 und 365 Tagen

• Bestimmung des spezifischen elektrischen Widerstandes an den gleichen Prüfkörpern (nach der Messung der Luftpermeabilität); Erfassung des Feuchtegehalts des Betons mit einem kapazitiv arbeitenden Messgerät

• Messung der Gaspermeabilität (Labormethode) an den Prüfkörpern nach einem Jahr nach der letzten Messung der Luftpermeabilität

• Auswertung der Ergebnisse. Die Ergebnisse sind in Kapitel 4 ab S. 33ff enthalten.

2.2.3 Untersuchungen an Bauwerken Mit den Messungen an den Bauwerken wurde geprüft, ob und wie weit die im Labor gefunde-nen Ergebnisse auf Bauwerke übertragbar sind. Es wurden ältere (> 15 Jahre) und neue (< 5 Jahre) Bauwerke mittels der Methode der Luftpermeabilitätsmessung nach SIA 262/1 unter-sucht. Die Ergebnisse der Luftpermeabilität wurden mit dem Bauteilzustand bzw. der Betonre-zeptur verglichen. Die Bauteile wurden so ausgewählt, dass möglichst viele Informationen zum Beton (Betonzusammensetzung, Überdeckung, etc.) und der Umgebung (Exposition: Temperatur, Luftfeuchte, etc.) vorlagen. An den Neubauten und älteren Bauwerken wurden an ausgewählten Bauteilen • die Luftpermeabilität nach SIA 262/1, Anhang E • die Betonfeuchte mittels dem spezifischen elektrischen Widerstand und der kapazitiven

Methode • sowie, falls vom Bauherrn zugelassen, weitere Eigenschaften zur Beurteilung der Dauer-

haftigkeit wie Druckfestigkeit, Karbonatisierungstiefe, Chloridgehalt, Wasserleitfähigkeit, etc.

bestimmt. Damit sollte der Bauwerkszustand charakterisiert und der Einfluss der Bauteilexpo-sition bestimmt werden. Diese Ergebnisse sind in Kapitel 5 ab S. 52ff und Anhang C und D enthalten.

2.2.4 Leitfaden zur Untersuchung von Bauwerken Auf Grund der Erkenntnisse der Labor- und Bauwerksuntersuchungen wurden Hinweise zur Bestimmung der Luftpermeabilität nach SIA 262/1, Anhang E, ausgearbeitet (siehe Folgerun-gen in Kapitel 6 ab S. 75ff und Anhang B).

Luftpermeabilität als Kenngrösse für die Betonqualität - Literatur 10

3 Literatur

3.1 Wassergehalt und Temperatur in Beton Da die Luftpermeabilität von Beton durch dessen Wassergehalt beeinflusst wird (Abbildung 1), galt es abzuschätzen, wie hoch die Wassergehalte von Betonbauteilen in der Praxis sein können. Typische Verläufe des Wassergehalts3 und der Temperatur in einer Tunnelwand sind in Abbildung 4 dargestellt. Folgendes zeigt sich dabei:

• Während des Sommers reduziert sich der Wassergehalt im Beton und erreicht im Herbst die geringsten und im Winter die höchsten Werte.

• In einem Abstand von 5 - 10 mm von der Oberfläche unterliegt der Beton grösseren Änderungen im Wassergehalt als in grösseren Tiefen.

• Die maximale Änderung im Wassergehalt in 5 - 10 mm Tiefe beträgt ca. 30 - 40 l/m3; dies führt gemäss Abbildung 1 zu grossen Änderungen in der Luftpermeabilität.

• Die Temperaturen im Bauteil in unterschiedlichen Tiefen sind sehr ähnlich und kön-nen erheblich - trotz Beschattung - von denjenigen der Luft abweichen.

• Im Sommer und Winter kann es bei Überschreitung des Taupunktes in der Luft zu ei-nem Eintrag von Wasser in Beton kommen.

Abbildung 4: Typische Wassergehalte und Temperaturen von Beton (300 kg/ m3 CEM I, w/z = 0.50) in der Wand des Naxbergtunnels (40 m Entfernung vom Portal), die Spritzwas-ser ausgesetzt sein kann; ca. 1000 m ü. M. (Ungricht 2005).

3 Die Wassergehalte wurden aus dem spezifischen elektrischen Widerstand abgeleitet. Der Zusam-menhang zwischen Wassergehalt und spezifische elektrische Widerstand wurde im Labor ermittelt. Der Wassergehalt entspricht dem unter üblichen Praxisbedingungen "mobilen" Wasser und wurde durch 50 °C-Trocknung bestimmt.


Basheer & Nolan (2001) lagerten Betone mit drei w/z-Werten (0.45, 0.55, 0.65) im Freien und bestimmten die Temperaturen und Betonfeuchten. In einem Alter von 1 Monat wurden die Proben in Belfast, Nordirland, ausgelagert. Die Betontemperatur wurde in 5 bis 25 mm Tiefe bestimmt, lag zwischen ca. 0 und 20 °C und war nahezu unabhängig von der Tiefe (Abbildung 5). Zusätzlich wurde die relative Luftfeuchtigkeit im Beton in 10 mm tiefen, ver-siegelten Bohrlöchern bestimmt; diese variierte zwischen 50 und 100 % r.F.; vor der Witterung geschützter Beton (sheltered face) wies leicht geringere Feuchten als ungeschützter Beton (exposed face) auf. Aus den Messungen in Abbildung 5, unten, ist erkennbar, dass zwischen 19.30 und 2.30 Uhr eine relative Feuchte von 100 % im Beton gemessen wurde und die Be-tontemperatur höher als die Lufttemperatur war. Der Grund hierfür könnte gewesen sein, dass durch die Abkühlung der Luft der Taupunkt überschritten wurde, Wasser ausfiel und den Be-ton benetzte.

0

5

10

15

20

25

Sept '94

Nov Jan '95

Mar May July Sept Nov Jan '96Month

Tem

pera

ture

(°C

)

Sheltered Face - 5mm depth

Exposed Face - 5mm depthExposed Face - 15mm depthExposed Face - 25mm depth

Sheltered Face - 15mm depthSheltered Face - 25mm depth

Nov Dec

Jan

95

Feb

Mar

ch

Apr

il

May

June

July

Aug

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95

Oct

Nov Dec

Jan

96

Feb40

50

60

70

80

90

100

Month

Rel

ativ

e H

umid

ity (%

)

Exposed face - surfaceExposed face - 10 mm depth

Sheltered face - surfaceSheltered face - 10mm depth

18.3

019

.30

20.3

021

.30

22.2

023

.30

0.30

1.30

2.30

3.30

4.30

5.30

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7.30

8.30

9.30

10.3

011

.30

12.3

013

.30

14.3

015

.30

16.3

017

.30

18.3

0

10

12

14

16

18

20

70

75

80

85

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95

100

Tem

pera

ture

(°C

)

Rel

ativ

e H

umid

ity (%

) at 1

0 m

m d

epth

Time of observation

Temperature at 10mm depth (°C)Relative Humidity at 10mm depth

Air Temperature (°C)

Abbildung 5: Temperatur und relative Feuchte (relative humidity) von Beton mit w/z = 0.45 (oben, Jahresverlauf) sowie von Beton mit w/z = 0.55 unten (Tagesverlauf), Basheer & Nolan (2001).

In Abbildung 6 sind Monatsmittel der relativen Luftfeuchtigkeiten von verschiedenen Orten in der Schweiz dargestellt. Die Orte wurden so gewählt, dass Extremwerte bei den Monatsmit-teln enthalten sind. Die Monatsmittel der relativen Luftfeuchtigkeiten variieren zwischen 60 und 85 % und das Jahresmittel zwischen 65 und 80 %. Die Tagesvariationen sind deutlich höher.


50

55

60

65

70

75

80

85

90

Jan

Feb

Mar

Apr

Mai

Jun

Jul

Aug

Sep

Okt

Nov

Dez

Mitt

elw

ert

Monat [-]

rela

tive

Luftf

euch

tigke

it [%

]

La Chaux-de-Fonds Davos Gd-St-BernardJungfraujoch Locarno-Monti SäntisZürich-Kloten

Abbildung 6: Mo-natsmittel der relativen Luft-feuchtigkeit ver-schiedener Orte von 1961 - 1990 gemäss meteo-schweiz.

Die Orte, die extreme relative Luftfeuchtigkeiten aufweisen, weisen auch bei den Temperatu-ren Extrema auf. Die mittleren Monatstemperaturen variieren zwischen -15 °C und 20 °C und die mittleren Jahrestemperaturen zwischen -8 °C und 12 °C (Abbildung 7).

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

Janu

ar

Febr

uar

Mär

z

Apr

il

Mai

Juni

Juli

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Okt

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Nov

embe

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ert

Monat [-]

Luftt

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r [°C

]

La Chaux-de-Fonds Davos Gd-St-Bernard JungfraujochLocarno-Monti Säntis Zürich-Kloten

Abbildung 7: Monatsmittel der Lufttem-peratur ver-schiedener Orte von 1961 - 1990 ge-mäss meteo-schweiz.

3.2 Gas- und Luftpermeabilität

3.2.1 Vorbemerkung In diesem Bericht werden Ergebnisse von verschiedenen Permeabilitätsprüfmethoden vorge-stellt, da von der TPT-Methode nur wenige Angaben vorliegen. Bei den Prüfungen wird mit dem Beton gegenüber inerten Gasen (z.B. Wasserstoff, Sauerstoff) oder mit leicht reaktiven Gasen wie Luft gemessen; das Kohlendioxid aus der Luft im Beton könnte teilweise eine leichte Karbonatisierung bewirken4. Folglich wird von der Messung her zwischen der Gasper-meabilität mit inerten Gasen und der Luftpermeabilität mit dem leicht reaktiven Gas Luft unter-schieden. 4 beim Torrent Permeability Tester strömt während des Versuchs Luft aus dem Beton in das Messgerät; d.h. hier ist von einem vernachlässigbaren Einfluss der Karbonatisierung auf die Luftpermeabilität aus-zugehen.


Bei Permeabilitäten wird zusätzlichen zwischen der absoluten und der relativen Permeabilität unterschieden. Die absolute Permeabilität wird bei einem trockenen Beton bestimmt, d.h. nicht durch Wasser im Beton beeinflusst. Bei der relativen Permeabilität wird die an feuchten Proben gemessene Permeabilität auf die bei trockenen Proben bezogen (z.B. bei 50 - 105 °C getrocknetem Beton). Wird nur von der Permeabilität gesprochen, ist ein Messwert bei der entsprechenden Exposition (relative Feuchte, Temperatur) gemeint.

3.2.2 Gaspermeabilität Die Gaspermeabilität wird im Labor mit der Cembureau-Methode (Kollek 1996) oder in Anleh-nung daran durchgeführt. Hierbei wird die Probe (üblicherweise: ∅: 10 - 15 cm, h: 5 - 6 cm) einaxial von Gas durchströmt. 1999 veröffentlichte das RILEM TC 116 weitere Empfehlungen zur Vorbehandlung der Proben. Im Anhang F von Jacobs (1994) sind ebenfalls Empfehlungen zur Vorbehandlung, Lagerung und Auswertung der Messungen gegeben.

3.2.3 Luftpermeabilität nach SIA 262/1, Anhang E

3.2.3.1 Messmethode Bei dieser Messmethode werden mit der im Beton vorhandenen Luft Permeabilitätsmessun-gen vor Ort durchgeführt. In einer Prüfkammer (∅ = 4 cm) und einem diese Kammer umge-benden Schutzring (Abbildung 8), die beide zur Betonoberfläche hin geöffnet sind, wird mit einer Vakuumpumpe ein Unterdruck erzeugt; je nach Beton beträgt dieser ca. 10 - 20 mbar. In der Prüfkammer wird der Druckaufbau ab dem Zeitpunkt to (Beendigung der Evakuierung der Messkammer) durch die durch den Beton einströmende Luft in Abhängigkeit von der Zeit ge-messen. Aus der zeitlichen Druckänderung und weiteren Kenngrössen wird die Luftpermeabi-lität berechnet. Der die Prüfkammer umgebende Schutzring bezweckt, dass die Luft nur ein-dimensional in die Prüfkammer hinein strömt, d.h. nur aus dem Bauteilinneren stammt (siehe Pfeile in Abbildung 8). Die Berechnung der Luftpermeabilität beruht auf folgender Gleichung (Torrent & Frenzer 1995):

2

2 ln

2⎟⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+−

−+

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

o

oa

oa

a

a

a

cT tt

pppp

pppp

pAV

kεµ

kT: Luftpermeabilität [m2] Vc: Volumen der Messkammer [m3] A: Querschnittsfläche der Messkammer [m2] µ: dynamische Viskosität der Luft [Ns/m2] ε: Porosität des Betons [-], als konstant mit 0.15 angenommen pa: Luftdruck [N/m2] po: Druck zum Zeitpunkt to (Beginn der Messung, nach Evakuierung) in der Messkammer

[N/m2] p: Druck zum Zeitpunkt t (Ende der Messung) in der Messkammer [N/m2]


Abbildung 8: links: Skizze des Versuchsprinzips der Luftpermeabilitätsmessung vor Ort aus SIA 262/1; rechts: Messapparatur auf untersuchten Prüfplatten.

Der in der Messkammer zu Beginn der Messung vorhandene Druck liegt teilweise im Bereich des Wasserdampfdruckes (Romer, 2005a); d.h. bei einem so geringen Druck, wie er in der Messkammer vorherrscht, verdunstet im Beton vorhandenes Wasser so lange, bis der der Temperatur entsprechende Wasserdampfdruck, d.h. eine Sättigung der Luft mit Wasser-dampf, gemäss Abbildung 9 erreicht ist oder kein flüssiges Wasser mehr in den Betonporen vorhanden ist. Wird ein nasser Beton gemessen, findet somit eine Druckerhöhung in der Messkammer durch zwei Prozesse statt:

• in den Betonporen vorhandenes und verdunstendes Wasser und • aus den Betonporen ausströmende Luft.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 5 10 15 20 25 30

Temperatur [°C ]

Was

serd

ampf

druc

k [m

bar]

Abbildung 9: Wasserdampfdruck in Ab-hängigkeit von der Temperatur; aus Handbook of Chemistry and Physics.

Neben der Temperatur wird der Wasserdampfdruck auch von der Zusammensetzung (Art und Menge der Salze) des Porenwassers im Beton beeinflusst. In den durchzuführenden Versuchen galt es abzuklären, wann Beton so trocken ist (z.B. bei welcher Lagerungsfeuchte/Exposition), dass der Wassergehalt im Beton bei der Interpretation der Luftpermeabilität vernachlässigt werden kann. Um den Temperatureinfluss auf die Luftpermeabilität abzuschätzen, kann die Gleichung zur Berechnung der Luftpermeabilität (siehe Seite vorher) betrachtet werden. In dieser Gleichung ändert sich die dynamische Viskosität mit der Temperatur. Wie in Abbildung 10 dargestellt, ändert sich die dynamische Viskosität trockener Luft nur um 7 %, wenn die Lufttemperatur von 5 auf 30 °C zunimmt. Die Viskosität wassergesättigter Luft, bzw. der Temperatureinfluss auf diese feuchte Luft, sollte sich nicht wesentlich von der von trockener Luft unterscheiden, da


der maximale Wassergehalt nur wenige Massenprozent von der Luftmasse beträgt und die Viskosität von Wasserdampf in einer ähnlichen Grössenordnung wie die von Luft liegt.

y = 0.0485x + 17.193R2 = 0.9677

16.5

17.0

17.5

18.0

18.5

19.0

19.5

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Lufttemperatur [°C]

dyna

msi

che

Visk

ositä

t [N

s/m

2 ]

25 K

7 %

Abbildung 10: Einfluss der Temperatur auf die dynamische Viskosität trockener Luft, aus Handbook of Chemistry & Phy-sics.

Brühwiler et al. (2005) und Romer (2005a) zeigten, dass die gemessene Luftpermeabilität besser der Sauerstoffpermeabilität (Methode Cembureau) entspricht, sofern die effektive (von Luft durchströmbare) Porosität ε (Abbildung 11) des Betons (oder Mörtels) berücksichtigt wird und nicht der in der Gleichung verwendete konstante Wert von 0.15 verwendet wird. Bei praxisüblichen Normalbetonen, die im Kontakt mit einer Luft von 60 - 85 % r.F. (Abbildung 6 auf S. 12) stehen, sind im Gleichgewichtszustand ca. 30 bis ca. 60 % der Poren mit Wasser gefüllt (Abbildung 12). Bei einer Gesamtporosität von ca. 9 - 14 Vol.- % (Tabelle D- 1 auf S. 12) beträgt somit die effektive Porosität in der Regel schätzungsweise 4 bis 9 Vol.-%.

effektive Porosität z.B. bei 90 % r.F.

effektive Porosität z.B. bei 50 % r.F.

effektive Porosität z.B. bei Ofentrocknung = Gesamtporosität,

z.B. 11 Vol.-%

Abbildung 11: Sche-matische Darstellung der effektiven Porositä-ten bei verschiedenen Luftfeuchten.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

20 30 40 50 60 70 80 90 100

relative Luftfeuchte [%]

Was

sers

ättig

ung

[%]

0.350.500.70

Beton mit 8 mm Grösstkornund w/z =

übliche r.F.

Abbildung 12: Wassersätti-gung der kapillar füllbaren Porosität (ohne Luft-, Ver-dichtungsporen) von drei Betonen in Abhängigkeit von der Lagerungsfeuchte (Lage-rung jeweils 60 Tage unter Wasser, danach 4 Monate bei den verschiedenen r. F.), aus Major (1993)

Wird bei Beton nicht die konstante Porosität von 0.15 (= 15 Vol.-%) sondern die tatsächliche verwendet, ergeben sich andere Luftpermeabilitäten (Abbildung 13) als diejenigen, die vom

effe

ktiv

e P

oros

ität

.


Messgerät angezeigt werden. Je stärker die effektive Porosität (dies kann baustoffbedingt oder expositionsbedingt sein) von dem konstanten Wert von 15 % abweicht, desto grösser ist die Abweichung des vom Gerät angezeigten Messwertes von der tatsächlichen Luftpermeabi-lität. Ist die effektive Porosität höher (z.B. bei Mörtel oder Leichtbeton) als 15 %, werden zu hohe Luftpermeabilitäten angezeigt. Ist die effektive Porosität geringer, werden zu niedrige Luftpermeabilitäten angezeigt. Bei einer effektiven Porosität von z.B. 0.08 beträgt die ange-zeigte Luftpermeabilität 1/2 der tatsächlichen.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

effektive Porosität [-]

Abw

eich

ung

der L

uftp

erm

eabi

lität

[-]

Bereich von bewit-tertem Normalbeton

Abbildung 13: Einfluss der effektiven Porosität auf die Abweichung der Luftpermeabi-lität vom angezeigten Mess-wert.

Wird bei einem Beton mit einem Feuchtegradienten (vgl. Abbildung 4 auf S. 10) die Luftper-meabilität bestimmt, wird diese vor allem vom Bereich mit der höchsten effektiven Porosität (geringeren Feuchte) bestimmt. Im Überdeckungsbeton nimmt die Gesamtporosität mit zu-nehmender Tiefe bis zu etwa 2/3 des Grösstkorns ab, da der Zementsteinanteil abnimmt. Da auch die Austrocknung am Rande am schnellsten und höchsten ist, wird bei trocknendem Beton zumeist ungefähr der äusserste Zentimeter vom Überdeckungsbeton die Luftpermeabi-lität wesentlich bestimmen.

3.2.3.2 Auswertung Die an einer Probe oder einem Bauteil gemessenen Luftpermeabilitäten weisen eine mono- bis multimodale Verteilung auf und können über mehr als eine Zehnerpotenz variieren (Abbildung 14). Auf den ersten Blick scheint dies sehr hoch. Wenn jedoch betrachtet wird, dass die Luftpermeabilität von Beton über mehr als drei Zehnerpotenzen variieren kann (Tabelle 3 auf S. 4), relativiert sich der Eindruck. Um den Einfluss weniger sehr hoher oder sehr niedriger Messwerte möglichst gering zu halten, wird zur Berechnung der repräsentati-ven Luftpermeabilität das arithmetische Mittel der logarithmierten Messwerte (= geometrische Mittel der nicht logarithmierten Messwerte) gebildet (Abbildung 15). Das geometrische Mittel wird deutlich weniger von extremen Messwerten als die anderen Mittelwerte (Median, arithme-tisches Mittel der Messwerte) beeinflusst.


0

1

2

3

4

5

6

1.E

-18

2.E

-18

3.E

-18

4.E

-18

6.E

-18

1.E

-17

2.E

-17

3.E

-17

4.E

-17

6.E

-17

1.E

-16

2.E

-16

3.E

-16

4.E

-16

6.E

-16

1.E

-15

2.E

-15

3.E

-15

4.E

-15

6.E

-15

1.E

-14

Luftpermeabilität (m2)

Anz

ahl M

essw

erte

pro

Kla

sse

[-]

Eingang 1Eingang 2Aussenwand

Abbildung 14: Häufigkeitsver-teilung von Luft-permeabilitäts-messwerten an verschiedenen Bauteilen.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1E-1

8

2E-1

8

3E-1

8

4E-1

8

6E-1

8

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7

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7

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7

4E-1

7

6E-1

7

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6

2E-1

6

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6

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6

6E-1

6

1E-1

5

2E-1

5

3E-1

5

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5

6E-1

5

1E-1

4

Luftpermeabilität [m2]

Häu

figke

it [%

]

AussenwandInnenwandT-SäuleEingang 1Eingang 2geometrisches MittelMedianarithmetisches Mittel

Abbildung 15: Summenhäufig-keit der Luftper-meabilitäts-messwerte bei verschiedenen Bauteilen mit verschiedenen eingetragenen "Mittelwerten" (Median, arith-metisches und geometrisches Mittel).

Die Streuung der Messwerte wird mit der Standardabweichung der logarithmierten Messwerte angegeben. Wie in Abbildung 14 ersichtlich, ist die Verteilung der logarithmierten Messwerte ungefähr normal. Deshalb wird die Standardabweichung von den logarithmierten Messwerten berechnet. In Abbildung 16 sind die geometrischen Mittelwerte und die Standardabweichung mit den Einzelwerten der Luftpermeabilität dargestellt. Es zeigt sich, dass mit der Angabe der Standardabweichung der Streubereich ungefähr dargestellt werden kann.


0

1

2

3

4

5

6

1.0E-18 1.0E-17 1.0E-16 1.0E-15 1.0E-14Luftpermeabilität [m2]

Eingang 2

Eingang 1

T-Säule

Innenwand

Aussenwand

gm - 1 σ

geometrisches Mittel gm - 1 σ

Abbildung 16: Einzel-werte, geo-metrisches Mittel und Standard-abweichung bei fünf Bauteilen.

Brühwiler et al. (2005) berechnen ebenfalls das geometrische Mittel und analog die Standard-abweichung zur Charakterisierung der Luftpermeabilität eines Bauteils. Wie in Abbildung 14 ersichtlich, ist die Verteilung der Messwerte bei einem Bauteil mono- bis multimodal. Ursachen hierfür können z.B. Mikrorisse5, Oberflächenrauigkeiten und Betonin-homogenitäten sein. Es wird angenommen, dass Maxima bei relativ geringer Permeabilität repräsentativ für den Beton und bei hoher Permeabilität Ausdruck von Mikrorissen und O-berflächenrauigkeiten sind. In der Regel zeigen sich durch Risse etc. bedingte Extremwerte dadurch, dass diese Werte mindestens um den Faktor 5 - 10 über dem geometrischen Mittel-wert aller Messwerte liegen. Werden die Extremwerte nicht berücksichtigt und dann das geo-metrische Mittel und die Standardabweichung berechnet, verschieben sich diese Werte (Tabelle 5). Das geometrische Mittel verschiebt sich dabei nur unbedeutend im Vergleich zu den Permeabilitätsunterschieden bei verschiedenen Betonqualitäten (vgl. Tabelle 3 auf S. 4), jedoch ändert sich die Standardabweichung sehr deutlich. Somit kann mit der mit und ohne Extremwerte berechneten Standardabweichung beurteilt werden, ob und wie gross Inhomo-genitäten im Beton sind.

Tabelle 5: Geometrisches Mittel (gm) und Standardabweichung (σ∗) der Luftpermeabilität von fünf Bauteilen, berechnet mit (m) und ohne (o) Extremwerte.

gmm gmo σ∗m σ∗o Einheit [10-16 m2] Aussenwand 0.16 0.10 0.93 0.36 Innenwand 2.36 1.42 0.68 0.37 T-Säule 0.34 0.24 0.71 0.63 Eingang 1 1.53 1.19 0.51 0.41 Eingang 2 0.66 0.53 0.49 0.34

Beim RILEM NEC Vergleichsversuch (Torrent & Luco 2006) wurde im Labor an Laborbeton die Luftpermeabilität mit zwei Geräten von zwei Personen bestimmt. Die Abweichung betrug im Mittel weniger als 10 % (Abbildung 17). Bei Messungen an einer Wand im Naxbergtunnel

5 Gemäss Jacobs (1994) führen bereits Risse mit Breiten von < 0.01 mm, die für die Dauerhaftigkeit meistens nicht relevant sind, zu einer deutlichen Permeabilitätszunahme. Beton mit eventuell dauerhaf-tigkeitsrelevanten Rissen (Rissbreiten > 0.1 mm) sind mit dem Messgerät in der Regel nicht mehr messbar.


durch zwei verschiedene Personen mit zwei verschiedenen Geräten in einem Abstand von 1 Jahr (TFB 1 Jahr später) wurde ebenfalls eine gute Übereinstimmung gefunden. Die Abwei-chung betrug im Mittel etwa Faktor 2. Die von beiden Personen gemessenen spezifischen elektrischen Widerstände waren ähnlich, d.h. lassen auf ähnliche Feuchtigkeitsgehalte der Betone schliessen. Ob die Unterschiede auf die Geräte und/oder Veränderungen im Beton (z.B. durch Zementhydratation, Karbonatisierung, Verschmutzungen) zurückzuführen sind, kann nicht beurteilt werden.

y = 1.1285x1.1705

R2 = 0.9023

y = 1.023x0.7204

R2 = 0.7807

0.001

0.010

0.100

1.000

10.000

0.001 0.01 0.1 1 10

Luftpermeabilität TFB [10-16 m2]

Luftp

erm

eabi

lität

[10-1

6 m2 ]

Labor: RILEM NECTunnel: Naxberg

Abbildung 17: Von jeweils zwei Labors (TFB, Conci-atori et al. 2002), in ei-nem Abstand von einem Jahr, gemessene Luft-permeabilitäten am Nax-bergtunnel sowie beim Vergleichsversuch RILEM NEC (Torrent & Luco 2006).

3.2.4 Feuchteeinfluss auf Gas- und Luftpermeabilität Da kaum Daten zum Einfluss der Betonfeuchte auf die mit dem TPT gemessene Luftpermea-bilität vorliegen, werden nachfolgend auch Erkenntnisse von anderen Messmethoden erläu-tert. Jacobs (1994, 1998) untersuchte mit der Cembureau-Methode den Einfluss des Wasserge-haltes im Beton auf die Gaspermeabilität im Labor. Die unterschiedlichen Betonfeuchten wur-den durch eine Lagerung bei 20 °C und verschiedenen relativen Feuchten der Luft erzeugt. Mit abnehmendem Wassergehalt im Beton nahm die Gaspermeabilität zu. In Abbildung 18 ist dies anhand der Wassersättigung und der Lagerungsfeuchte für die relative Permeabilität dargestellt. Wird die Gaspermeabilität bei z.B. zu 40 % mit wassergesättigten Poren gemes-sen, ergibt sich eine Gaspermeabilität bei einem Beton mit w/z = 0.4 bzw. 0.8, die bei etwa 0.15 bzw. 0.25 der Gaspermeabilität des trockenen Betons liegt. Eine Wassersättigung von 40 % kann erhalten werden, wenn Beton mit w/z = 0.4 bei ca. 60 % r.F. und Beton mit w/z = 0.8 bei ca. 70 % r.F. gelagert würde. Trocknet wassergesättigter Beton kontinuierlich aus, ergeben sich folgende Änderungen in der Gaspermeabilität: Liegt die Wassersättigung zwischen ca. 90 und 100 %, findet kein Gas-fluss durch den Beton statt. D.h. selbst der poröseste Beton ist gasdicht. Bei Normalbeton muss ca. 10 Vol.-% des Porenraumes luftgefüllt sein, damit ein Gasfluss stattfinden kann; dies kann durch eine ausreichend lange Lagerung bei knapp unter 100 % r.F. und 20 °C erzielt werden. Wenn die Wassersättigung im Beton auf etwa 70 % reduziert wird (z.B. durch eine Lagerung bei etwa 95 % r.F.), nimmt die Gaspermeabilität um etwa 2 Grössenordnungen (100-fach) zu. Wird der Wassergehalt im Beton weiter reduziert, z.B. durch eine Lagerung bei 35 % r.F., nimmt die Gaspermeabilität um eine weitere Grössenordnung zu. In Beton, der im Gleichgewicht mit 60 % relativer Luftfeuchte bei 20 °C steht, sind ca. 30 - 40 % der Poren mit Wasser gefüllt. Dadurch liegt die Gaspermeabilität bei etwa 10 bis 30 % von derjenigen des trockenen Betons. Bei praxisüblichen Wassergehalten im Beton, die sich durch eine ausrei-chend lange Lagerung zwischen 60 und 80 % r.F. einstellen, wirkt sich eine Änderung der Lagerungsfeuchte im Bereich von 60 - 80 % r.F. weniger stark aus, als eine gleich grosse Änderung bei niedrigeren oder höheren Lagerungsfeuchten. Die von Jacobs (1998) und von Abbas et al. (1999) ermittelten Zusammenhänge zwischen der Sättigung und der Luftpermea-


bilität sind ähnlich. Die Unterschiede können auf Unterschiede beim Alter, bei der Betonzu-sammensetzung oder der Versuchsdurchführung beruhen.

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Sättigung [-]

Gas

perm

eabi

lität

[-]

Abbas et al., w/z = 0.67, wenige Monate alt

Jacobs 1998, w/z = 0.80

Jacobs 1998, w/z = 0.60

Jacobs 1998, w/z = 0.45

35%

60%

80% 90%

Beton bei 80 - 105 °C getrocknet

Abbildung 18: Einfluss der Wassersättigung auf die relative Gaspermeabilität von ca. 2 Jahre alten Beton (Jacobs, 1998) und von jüngerem Beton (Abbas et al. 1999); die Prozentangaben an den Kurven geben die r.F. der Luft an, die zu der Sättigung führt.

Gräf (1988) bestimmte mit der Cembureau-Methode im Labor die Gaspermeabilität an Beton (w/z = 0.50, 0.60, 0.70, 0.80) nach verschiedenen Nachbehandlungen (Dauer 1 - 28 Tage) im Alter von ca. 1.5 Monaten und 18 Monaten. Je niedriger die Gaspermeabilität nach 1.5 Mona-ten war, z.B. durch eine längere Nachbehandlung oder bei einem dichten Beton, desto stärker war die relative Zunahme bis zum Betonalter von 18 Monaten (Abbildung 19). Bei 28 Tage dauernder Nachbehandlung und bei niedrigen Gaspermeabilitäten nach 1.5 Monaten (k < 1⋅10-16 m2) lag die Gaspermeabilität bei etwa 5 % (0.05) von der des gleichen Betons nach 18 Monaten; d. h. die Gaspermeabilität nahm um den Faktor 20 zu. Bei hohen Luftpermea-bilitäten nach 1.5 Monaten (k > 10⋅10-16 m2) verdoppelte sich die Gaspermeabilität um bis fast das Zweifache. Daraus kann gefolgert werden, dass die Bestimmung der Luftpermeabilität zu einem frühen Zeitpunkt (hier 1.5 Monate nach der Herstellung), insbesondere bei dichtem Beton mit einer langen Nachbehandlung (und entsprechend hohen Betonfeuchte), zu einer deutlich niedrigeren Luftpermeabilität im Vergleich zu der nach 1.5 Jahren führt.

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0.01 0.1 1 10 100

nach 1.5 Monaten gemessene Gaspermeabilität [10-16 m2]

Verh

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ach

1.5

Mon

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8 M

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en [-

]

0.500.600.700.80

Abbildung 19: Einfluss der Nachbehandlung und des Alters auf die Luftpermeabilität; ausge-füllte Symbole bedeuten eine 28 Tage dauernde Nachbehand-lung; Daten aus Gräf (1988).


Basheer & Nolan (2001) untersuchten mit dem Autoclam Permeation Test ebenfalls den Ein-fluss der Wassersättigung im Beton auf die Luftpermeabilität. Hierfür wurden Betone mit drei w/z-Werten (0.45, 0.55, 0.65) hergestellt. In einem Alter von 1 Monat wurden die Proben in Belfast, Nordirland, vor der Witterung geschützt (sheltered) und ungeschützt (exposed) aus-gelagert. An den ausgelagerten Betonen wurde der "Air Permeability Index" (API) monatlich bestimmt (Abbildung 20). Der API nahm mit abnehmender Feuchte des Betons zu. Basheer & Nolan empfahlen auf Grund der Messungen, dass die r.F. weniger als 80 % betragen soll, um Betonqualitäten zuverlässig unterscheiden zu können.

2.01.51.00.50.040

50

60

70

80

90

100

Air Permeability Index (Ln Pressure (mBar)/mins)

Rel

ativ

e H

umid

ity (%

) at s

urfa

ce

0.45 - Exposed0.45 - Sheltered0.55 - Exposed0.55 - Sheltered0.65 - Exposed0.65 - Sheltered

Very Poor*Poor*Good*Very

Good* Abbildung 20: "Air Per-meability Index" von aus-gelagerten Beton in Ab-hängigkeit von der relati-ven Feuchte an der Be-tonoberfläche, aus Bas-heer & Nolan (2001); *von Basheer (1991) vorge-schlagene Klassifikation.

Parrot (1994) untersuchte ebenfalls den Einfluss des Wassergehalts auf die Luftpermeabilität und zwar an Beton mit w/z-Werten zwischen 0.46 und 0.72 sowie 28-Tage-Würfeldruckfestig-keiten zwischen 16 und 55 MPa. Die Luftpermeabilität wurde in Bohrlöchern mit einem Über-druck bestimmt. Die unterschiedlichen Wassergehalte im Beton wurden durch eine 3- oder 28-tägige Wasserlagerung und eine unterschiedlich lange Trocknung bei 50 °C eingestellt. In einem 4 cm tiefen, versiegelten Bohrloch wurde die relative Luftfeuchtigkeit (r.F.) bestimmt. Diese variierte zwischen 0 und 95 % r.F. (Abbildung 21). Mit abnehmender Luftfeuchtigkeit nahm die Luftpermeabilität zu. Zwischen 20 und 60 % r.F. ändert sich die Luftpermeabilität kaum im Gegensatz zu niedrigeren oder höheren r.F. Dinku & Reinhardt (1997) bestimmten ebenfalls in Bohrlöchern mit einem Überdruck die Luftpermeabilität von Beton. Sie fanden, ähnlich wie Parrot, bei relativen Feuchten zwischen 40 und 75 % nur einen geringen Einfluss durch eine Änderung der Betonfeuchte auf die Luftpermeabilität.

Abbildung 21: Relative Luftper-meabilität in Abhängigkeit von der relativen Luftfeuchtigkeit im Beton (w/z = 0.46 - 0.72), aus Parrot (1994).

Torrent & Ebensperger (1993) führten Versuche mit dem Torrent Messgerät bei unterschied-lichen Wassergehalten an verschiedenen Betonen (0.32, 0.46, 0.60) durch. Die Proben wur-den drei Monate bei 90 % r.F. und anschliessend bei 50 % r.F. gelagert. Der Feuchtegehalt im


Beton wurde in einem 40 mm tiefen, versiegelten Bohrloch als relative Luftfeuchte bestimmt. Die erste Messung fand direkt nach der Umlagerung (90 50 %) statt; weitere Messungen fanden 19, 68 und 111 Tage später statt. Im Allgemeinen nahm die Luftpermeabilität mit ab-nehmender relativer Feuchte zu (Abbildung 22). Zwischen den Messpunkten "0" und "19" Tage nimmt jedoch die Luftpermeabilität nur beim porösesten Beton zu; bei den beiden ande-ren Betonen nimmt die Luftpermeabilität trotz fortschreitender Austrocknung ab. Die dichteren Betone zeigten somit ein unerwartetes Bild, welches bei den anderen Messmethoden nicht sichtbar war. Dies kann durch die Wasserverdunstung erklärt werden (vgl. Abschnitt 3.2.3.1 auf S. 13ff).

0.001

0.01

0.1

1

70 75 80 85 90 95 100

relative Luftfeuchtigkeit [%]

Luftp

erm

eabi

lität

[10-1

6 m2 ]

w/z 0.32 mit Silikastaubw/z 0.60

0 Tage

19 Tage

Abbildung 22: Luftpermeabilität 0, 19, 68, 111 Tage nach der Umlagerung (sie-he Text) in Ab-hängigkeit von der relativen Feuchte in Beton, die Pfeile zeigen in Richtung zu-nehmendes Alter; Daten aus Torrent & Ebensperger (1995).

Brühwiler et al. (2005) bestimmten im Labor an Wänden die Luftpermeabilität nach SIA 262/1 zwischen 4 Tagen und ca. 1 Jahr nach der Herstellung. Während der ersten 7 Tage nach der Herstellung wurde der Beton vor einer Austrocknung geschützt und anschliessend bei 60 % r.F. gelagert. Die Luftpermeabilität nahm während der ersten 2 bis 4 Wochen zu und an-schliessend wieder ab (Abbildung 23). Die Abnahme der Luftpermeabilität wurde mit zuneh-mender Trocknungsdauer immer geringer und veränderte sich zwischen der Messung nach 197 und 389 Tagen nur noch gering. Die Luftpermeabilität nach 4 Tagen betrug etwa ¼ bis ½ von derjenigen nach 389 Tagen. Brühwiler et al. (2005) schlagen deshalb vor zu prüfen, ob generell die Luftpermeabilität wenige Tagen nach der Herstellung gemessen werden kann und ob diese auch einen ausreichenden Hinweis auf die Langzeitpermeabilität gibt.


Abbildung 23: Luftpermeabilität von Beton in Ab-hängigkeit vom Messalter, Brühwi-ler et al. (2005).

Insgesamt zeigt sich, dass der Wassergehalt im Beton einer relativen Luftfeuchtigkeit zwi-schen 60 und 80 % entsprechen sollte, um bei Änderungen in diesem Intervall einen mög-lichst geringen Einfluss auf die Luftpermeabilität zu haben. Die bei diesen Wassergehalten gemessene Luftpermeabilität beträgt ca. 1/2 bis 1/5 von der eines trockenen Betons. Jedoch legen die Daten in Abbildung 4 auf S. 10 und Abbildung 6 auf S. 12 nahe, dass in der Praxis Beton auch einen höheren Wassergehalt aufweisen kann.

3.2.5 Temperatureinfluss auf Gas- und Luftpermeabilität Da kaum Daten zum Einfluss der Betontemperatur auf die mit dem TPT gemessene Luftper-meabilität vorliegen, werden nachfolgend auch Erkenntnisse von anderen Messmethoden erläutert. Nach Millard (1989) ist der Einfluss einer Temperaturänderung auf die Luftpermeabi-lität (Figg-Methode) gering, da sich die dynamische Viskosität der Luft bei Temperaturände-rungen von 20 bis 50 °C kaum ändert (Abbildung 24). Jacobs (1994) fand demgegenüber bei Untersuchungen mit der Cembureau-Methode und trotz Berücksichtigung des Temperaturein-flusses bei der Viskosität eine Reduktion der Gaspermeabilität um ca. 25 % mit zunehmender Lagerungstemperatur von 5 auf 50 °C (Abbildung 25).

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

5 20 50

Temperatur [°C]

Gas

perm

eabi

lität

[10-1

6 m2 ]

Abbildung 24: Temperatureinfluss auf die Luftpermeabilität, Millard (1989).

Abbildung 25: Temperatureinfluss auf die Gasper-meabilität (Cembureau Methode, Mittelwerte und Standardabweichung), Jacobs (1994).


Nolan (1996) fand bei seinen Untersuchungen mit dem Autoclam Permeation Test ebenfalls eine Abnahme des API mit zunehmender Temperatur (Abbildung 26). Bei einer Temperatur-erhöhung um 20 K nahm der API um 10 bis 30 % ab

Temperature (°C)

Air

Per

mea

bilit

y In

dex

(Ln(

Pres

sure

)/min

)

0.45 w/c0.65 w/c

10 20 300.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

Abbildung 26: Temperatureinfluss auf den Air Permeability Index (API), Nolan (1996).

Im RILEM-Vergleichsversuch (Romer 2005b) wurden Messungen mit der Torrent-Methode bei 10 und 20 °C sowie 70 % r.F. von zwei unabhängigen Personen vorgenommen. Es zeigte sich ein zu vernachlässigender Unterschied bei den Luftpermeabilitäten. Romer (2005a) ermittelte bei Untersuchungen mit dem Torrent Permeability Tester eine Zu-nahme bei der Luftpermeabilität um ca. 10 bis 50 % und teilweise noch mehr bei einer Tem-peraturerhöhung von 5 auf 20 °C. Die Zunahme hing neben dem w/z-Wert auch von Feuchte-gehalt ab. Es ist unklar, wieso die temperaturbedingten Änderungen der Luftpermeabilität viel höher als bei den anderen Untersuchungen ausfallen. Zusammenfassend zeigt sich, dass im Temperaturintervall von 5 bis 30 °C ein in der Regel geringer Einfluss (< 30 %) der Temperatur auf die Luftpermeabilität zu erwarten ist.

3.3 Zerstörungsfreie Bestimmung des Wassergehaltes in Beton

3.3.1 Vorbemerkung Der Wassergehalt des Betons soll dort bestimmt werden, wo die Luftpermeabilität gemessen wird. Da die Luftpermeabilität auf der Durchlässigkeit des Betons, je nach Betondichtheit, in den äussersten 1 bis 5 cm beruht, müsste idealerweise einerseits die Wassergehaltsbestim-mung ebenfalls in diesem Tiefenbereich stattfinden (d.h. abhängig von Betondichtheit sein) und andererseits sollte der Wassergehalt in diesem Bereich homogen sein. Beides kann je-doch nicht gewährleistet werden. In den nachfolgenden Abschnitten ist, soweit bekannt, an-gegeben, bis in welche Tiefe der Beton bei der Messung erfasst wird. In Abbildung 4 auf S. 10 ist aufgezeigt, dass ein Feuchtegradient im Beton vorhanden ist. D.h. je geringer der Ab-stand zur Betonoberfläche ist, desto eher kann der Beton bei Niederschlag befeuchtet werden und danach austrocknen. In der Praxis kann kaum (Ausnahme Innenräume) von konstanten Umgebungsbedingungen (r.F., Temperatur) ausgegangen werden. Folglich können sich auch im Beton keine stationä-ren Verhältnisse (konstanter Wassergehalt, Temperatur) einstellen.

3.3.2 Spezifischer elektrischer Widerstand

3.3.2.1 Messmethode Der spezifische elektrische Widerstand (Kehrwert der elektrischen Leitfähigkeit) von Beton wird zur Bestimmung des Wassergehaltes im Beton benutzt, da sich die Leitfähigkeit eines Betons mit zunehmendem Wassergehalt erhöht. Der Widerstand kann mit 2- und 4-Punkt-


Messungen bestimmt werden. 4-Punkt-Messungen (Wenner-Methode) weisen Vorteile ge-genüber 2-Punkt-Messungen auf (Hunkeler 1994, Reinhardt et al. 2005) und werden deshalb häufiger eingesetzt: Ein Wechselstrom mit Frequenzen zwischen 50 und 1000 Hz wird über zwei Elektroden eingespeist. An zwei dazwischen liegenden Elektroden wird der spezifische elektrische Widerstand gemessen. Die Messung erfolgt an Bauteilen von der Oberfläche her. Bei der Messung wird ungefähr die Betontiefe erfasst, die dem Abstand der Messelektroden entspricht. Häufig wird mit Messelektrodenabständen von ca. 5 cm gearbeitet, d.h. der Beton wird bei der Messung bis in eine Tiefe von ca. 5 cm erfasst. Dieser Bereich wird als notwendig erachtet, um bei Beton mit einem Grösstkorn von 32 mm repräsentative Messwerte zu erhal-ten. Die Messungen an der Oberfläche ergeben systematisch höhere Werte als wenn Bohr-kerne gezogen werden, die Stromeinleitung über die Endflächen der Bohrkerne erfolgt und der Widerstand an dazwischen liegenden Elektroden bestimmt wird. Der Proportionalitätsfak-tor liegt bei etwa 2 und bei karbonatisiertem Beton bei fast 1 (Polder 2002). Der spezifische elektrische Widerstand ρBeton wird wie folgt berechnet: ρBeton = 2 π a ρMessung [Ωm] a: Abstand zwischen den Elektroden [m] ρMessung: Spannung / Stromstärke [Ω] In der Literatur wird der spezifische elektrische Widerstand oft in [Ω m] angegeben. Bei der zum TPT gehörigen Wennersonde wird der spezifische elektrische Widerstand in [kΩ cm] an-gegeben. Die Umrechnung ergibt sich wie folgt: 1 kΩ cm = 10 Ω m. Teilweise wird anstelle des spezifischen elektrischen Widerstandes die elektrische Leitfähig-keit, d.h. der Kehrwert, bestimmt. elektrische Leitfähigkeit [mS/cm] = 1/ spezifischer elektrischer Widerstand 1/[10 Ω m] Polder (2000) bewertet die Messgenauigkeit bei der Bestimmung des spezifischen elektrischen Widerstandes mit den Variationskoeffizienten wie folgt: • 10 % gut im Labor • 20 % normal im Labor • 30 % normal für Messungen Vorort Bürchler (1996) ermittelte für Laborprüfungen an Zementstein und Mörtel Variationskoeffizienten von maximal 5 %, d.h. dies stimmt mit den Angaben von Polder überein.

3.3.2.2 Einflüsse auf den spezifischen elektrischen Widerstand Der spezifische elektrische Widerstand von Beton hängt von dem des Porenwassers, d.h. dessen Menge, Chemismus und Beweglichkeit ab und wird vielfältig beeinflusst (Hunkeler 1994): • Betonzusammensetzung • Porenwasserchemismus • Feuchtigkeitsgehalt • Karbonatisierung des Betons • Salzgehalt • Temperatur • etc. Metallische Einlagen im Beton wie Bewehrung, Stahlfasern beeinflussen den spezifischen elektrischen Widerstand ebenfalls.


Das RILEM TC 154 (Polder 2000) veröffentlichte Empfehlungen wie die Bestimmung des spe-zifischen elektrischen Widerstandes vorzunehmen ist und gab Richtwerte für verschiedene Randbedingungen an (Tabelle 4 auf S. 6). Gemäss eigenen Erfahrungen sind u.a. bei Hydro-phobierungen und Beschichtungen auf Beton höhere spezifische elektrische Widerstände zu erwarten als in Tabelle 4 angegeben. Aus Tabelle 4 geht klar hervor, dass es bei einem Be-ton unbekannter Zusammensetzung und ohne Kenntnis der Karbonatisierungstiefe kaum möglich ist, aus dem spezifischen elektrischen Widerstand den Wassergehalt abzuschätzen: Nur wenn unbekannter Beton sehr trocken oder sehr nass ist, können Hinweise auf den Was-sergehalt abgeleitet werden. Trotz dieser vielfältigen Einflüsse wird in der Praxis häufig der spezifische elektrische Wider-stand zur Abschätzung des Wassergehaltes benutzt.

3.3.2.3 Feuchteeinfluss Torrent & Ebensperger (1993) untersuchten im Labor den Einfluss der Betonzusammensetzung und des Wassergehaltes auf den spezifischen elektrischen Widerstand (Abbildung 27). Beton mit Zement CEM I und einem w/z-Wert von 0.60 (1 Co 0.60 in Abbildung 27) wies nach 111 Tagen Lagerung bei 50 % r.F. einen spezifischen elektrischen Widerstand von etwas über 40 kΩ cm (= 400 Ω m) und bei einem w/z-Wert von 0.46 (2 Cu 0.46) etwas unter 40 kΩ cm auf. Beton mit Zement CEM I und 32 kg Silikastaub (8 % vom Zementgehalt) sowie einem w/z-Wert von 0.32 (5 Cu 0.32) zeigte einen spezifischen elektrischen Widerstand von etwas über 170 kΩ cm. Bei Beton mit w/z-Werten von 0.60 und 0.46 nahm der spezifische elektrische Widerstand in Folge der Austrocknung stark (ca. 400 %) zu, bei Beton mit dem w/z-Wert von 0.32 und Sili-kastaub ändert sich der spezifische elektrische Widerstand sehr viel geringer (ca. 70 %). Die unterschiedlichen Änderungen beruhen auf den unterschiedlichen Austrocknungsgeschwindig-keiten und dem mit dem Alter ändernden Porenvolumen. Die in Abbildung 27 dargestellten spezifischen elektrischen Widerstände sind niedrig im Vergleich zu denen in Tabelle 4 (S. 6) und auch z.B. von Ungricht (2004). Während über zwei Jahren wurde der spezifische elektrische Widerstand von Beton in einem Bogen der Ponte Nanin erfasst (Schiegg 2002). Bei Temperaturänderungen zwischen etwa 5 und 25 °C variierte der spezifische elektrische Widerstand im Überdeckungsbeton (5 – 12.5 mm) bei trockener Witterung zwischen ca. 450 und 1000 Ωm und nach Regen zwischen 250 und 550 Ωm. D.h. der spezifische elektrische Widerstand änderte sich nicht so stark in Folge der Bewitterung.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 20 40 60 80 100 120Zeit [Tage]

spez

. ele

ktris

cher

Wid

erst

and

[k Ω

cm

]

5 Cu 0.321 Co 0.602 Cu 0.46

Lagerung während 90 Tagen nach der Herstellung bei 90 % r.F., danach bei 50 % r.F.

Abbildung 27: Spezifi-scher elektrischer Wi-derstand von Beton nur mit Zement CEM I (1, 2) und mit Zement CEM I und Silikastaub (5) in Abhängigkeit von der Lagerung (Nullpunkt = Lagerungsbeginn bei 50 % r.F.), Daten aus Tor-rent & Ebensperger (1993).

Mit abnehmenden Wassergehalt oder abnehmender Ausgleichsfeuchte von Mörtel und Beton nimmt der spezifische elektrische Widerstand stark zu (Abbildung 28, Abbildung 29). Zwi-


schen dem Kehrwert des spezifischen elektrischen Widerstands (der spezifischen elektri-schen Leitfähigkeit) und dem Wassergehalt ergibt sich ungefähr ein linearer Zusammenhang. Ungricht (2004) beschreibt diesen Zusammenhang wie folgt: σ = f1 + f2∙u σ: spezifische elektrische Leitfähigkeit [S/m] f1, f2: betonspezifische Variablen f1 [S/m], f2 [S/(m⋅Vol.-%)] u: Wassergehalt von Beton, bestimmt durch Trocknung bei 50 °C [Vol.-%]

0

1000

2000

3000

4000

40 50 60 70 80 90 100relative Luftfeuchtigkeit [%]

spez

. ele

ktris

cher

Wid

erst

and

[ Ωm

]

Mörtel w/z 0.50 BMörtel w/z 0.50 SMörtel w/z 0.50 SMörtel w/z 0.60 SMörtel w/z 0.75 S

Abbildung 28: Spezifischer elektrischer Wi-derstand sowie spezifische elektrische Leit-fähigkeit von Beton (w/z = 0.50 sofern nicht anders vermerkt) mit und ohne Zusatzstoffe in Abhängigkeit vom Wassergehalt, Ungricht (2004).

Abbildung 29: Spezifischer elektrischer Wi-derstand von Mörteln in Abhängigkeit von der relativen Luftfeuchtigkeit (aus B: Bürchler 1996, S: Schiegg 2002).

3.3.2.4 Temperatureinfluss Im Allgemeinen wird der Temperatureinfluss auf den spezifischen elektrischen Widerstand mit folgender Gleichung beschrieben: ρc = ρo ⋅ ex ; x = b⋅(1/Tc – 1/To) ρo: spezifischer elektrischer Widerstand bei Temperatur To [Ωm] ρc: spezifischer elektrischer Widerstand bei Temperatur Tc [Ωm] Tc, To: absolute Temperatur [K] b: Konstante [K]; variiert zwischen ca. 1500 und 5500 K und hängt stark vom Wassergehalt ab

(Polder 2000, Bürchler 1996) Wird der Wassergehalt in Beton erhöht, reduziert sich der b-Wert und erreicht bei hohen Sät-tigungsgraden (ca. 100 %) einen Wert zwischen ca. 1500 und 2000 (Elkey & Sellevold 1995, Bürchler 1996, Ungricht 2004). Abbildung 30 stellt den Einfluss des b-Wertes gemäss der oben genannten Formel auf den spezifischen elektrischen Widerstand für nassen und trocke-nen Beton mit jeweils zwei angenommenen b-Werten dar. Je höher der b-Wert ist, desto aus-geprägter ändert sich der Widerstand mit der Temperatur. Bei trockenem Beton ist der b-Wert, d.h. der Temperatureinfluss, deutlich grösser als bei nassen Beton.


100

1000

10000

0 5 10 15 20 25 30 35 40Temperatur [°C]

spez

ifisc

her e

lekt

risch

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ider

stan

d [ Ω

m]

trocken

nass

b= 3500

5500

1500

2500

Abbildung 30: Rech-nerischer Einfluss des b-Wertes und der Temperatur auf den spezifischen elektri-schen Widerstand; bei trockenem Beton wurde bei 20 °C eine spezifischer elektri-scher Widerstand von 1500 und bei nassen Beton von 200 Ωm der Berechnung zu Grunde gelegt.

Als Faustregel wird bei Beton oft Folgendes angegeben: Zwischen 0 und 40 °C ändert sich der spezifische elektrische Widerstand um ca. 2 bis 5 % pro Grad K; eine Erhöhung um 20 K halbiert ungefähr den spezifischen elektrischen Widerstand. Bei geringen Wassergehalten im Beton ist der Temperatureinfluss ausgeprägter. Beim Vergleich mit Abbildung 30 zeigt sich, dass die Faustformel zur ungefähren Abschätzung des Temperatureinflusses geeignet ist. Zusätzlich wird der spezifische elektrische Widerstand u.a. auch durch den Salzgehalt im Po-renwasser beeinflusst: z. B. reduzieren Chloride im Beton den spezifischen elektrischen Wi-derstand.

3.3.2.5 Einfluss der Betonzusammensetzung Bertolini & Polder (1997) geben folgenden Einfluss der Betonzusammensetzung auf den spezifi-schen elektrischen Widerstand für bei 80 % gelagerten und 1 ½ bis 3 Jahre alten Beton an (Tabelle 6):

• Der Widerstand nimmt bei Beton mit Zement CEM III (HOZ: Hochofenzement) und CEM I (PC: Portlandzement) mit

o abnehmenden Abstand von der Betonoberfläche ab o der Karbonatisierung zu

• Der Widerstand von Beton mit Zement CEM I nimmt - im Gegensatz zu Beton mit CEM III - zu, wenn der w/z-Wert erhöht wird.

• Beton mit Zement CEM III weist einen höheren Widerstand als Beton mit Zement CEM I auf.

Tabelle 6: Spezifischer elektrischer Widerstand [Ωm] 6 von Beton, der während 1 - 3 Jahren bei 80 % r.F. gelagert wurde, in Abhängigkeit von der Zusammensetzung, dem Abstand von der Betonoberfläche und einer Karbonatisierung, aus Bertolini & Polder (1997).

HOZ Beton PC Beton nicht karbonatisiert karbonatisiert nicht karbonatisiert karbonatisiert

Abstand von Oberfläche [mm] Abstand von Oberfläche [mm] w/z 10 50 10 50 10 50 10 50 0.45 3500 2500 6500 2200 400 300 900 360 0.65 2000 1200 3500 1600 600 350 10000 600 Mörtel (w/z = 0.50 und 0.75) mit einem Gesteinskörnungsanteil von 60 Vol.-% weist bei glei-cher Lagerungsfeuchte (50 - 100 % r.F.) einen rund dreimal höheren Widerstand als Zement-stein (w/z = 0.40 und 0.60) auf (Bürchler, 1996). D.h. mit zunehmendem Anteil an Gesteins-körnung (Zementstein Mörtel Beton) nimmt der spezifische elektrische Widerstand zu. 6 10 Ωm = 1 kΩcm


3.3.2.6 Einfluss des Alters Bürchler (1996) zitiert Untersuchungsergebnisse (Beton, w/z = 0.45, Lagerung bei 90 % r.F.) von Polder, die zeigen, dass der spezifische elektrische Widerstand von Beton bis zu einem Probenalter von ca. 200 Tagen stark ansteigt (von 170 auf 460 Ωm); zwischen 200 und 700 Tagen bleibt der spezifische elektrische Widerstand ungefähr gleich (400 – 500 Ωm). Dies kann wie folgt erklärt werden: Während der ersten 200 Tage der Lagerung (konstantes Klima, nicht bewittert) ist der Beton der Prüfkörper in den äussersten Zentimetern (ca. 2 cm) so weit ausgetrocknet, wie es auf Grund der Umgebungsbedingungen zu erwarten ist. Die weiterge-hende Lagerung ändert den Feuchtigkeitsgehalt und somit auch den spezifischen elektrischen Widerstand kaum mehr. Könnte Beton während der Alterung durch Bewitterung Wasser (durch Niederschlag oder Überschreiten des Taupunktes) aufnehmen, kann auch der spezifi-sche elektrische Widerstand wieder abnehmen.

3.3.2.7 Einfluss von Salzen Im chloridfreien Beton sind es vor allem Ca(OH)2, KOH und NaOH, die den spezifischen elek-trischen Widerstand beeinflussen (Hunkeler 1994); Chloride oder Sulfate reduzieren den Wi-derstand um bis zu ca. 50 % (Hunkeler 1993). Bei einer Chloridkonzentration der Porenlö-sung von 0.4 mol/l (entspricht etwa 1 M.-% Cl bzgl. CEM) reduziert sich der spezifische elekt-rische Widerstand – im Vergleich zur chloridfreien Porenlösung - um etwa 40 % (Bürchler 1996). Bertolini & Polder (1997) ermittelten für Betone mit und ohne Chloride Unterschiede im spezifischen elektrischen Widerstand von etwa Faktor 2 bis ca. 4. In Folge der Karbonatisierung (siehe Tabelle 4 auf S. 6, Tabelle 6) des Betons im von der Messung erfassten Betonvolumen verdoppelt sich ungefähr der spezifische elektrische Wi-derstand (Bertolini & Polder 1997; Polder 2000).

3.3.2.8 Zusammenfassung Wie in Abbildung 30 dargestellt, kann sich der spezifische elektrische Widerstand im Tempera-turbereich von 5 bis 40 °C um das 2- bis 5fache erhöhen. Durch unterschiedliche Bindemittel (Tabelle 4) oder Salze im eher trockenen Beton (Abbildung 28) kann sich der spezifische elek-trische Widerstand um bis etwa das 8fache ändern. Änderungen im Wassergehalt durch eine Variation der relativen Luftfeuchtigkeit zwischen 60 und > 90 % r.F. (Tabelle 4 auf S. 6) können zu einer Änderung des spezifischen elektrischen Widerstands um das 5fache führen.

3.3.3 Relative Luftfeuchtigkeit und Wassergehalt in Beton Zur Bestimmung der relativen Feuchte von Baustoffen werden Sonden in nur zum Baustoff offenen Bohrlöchern platziert. Bei der Luft im Bohrloch stellt sich eine Luftfeuchtigkeit ein, die vom Wassergehalt des Baustoffs abhängt. Poröse Baustoffe streben einen Gleichgewichtszu-stand mit dem Wassergehalt und der Temperatur der Luft an. Mit zunehmender relativer Feuchte und weniger ausgeprägt mit abnehmender Temperatur nimmt die Adsorption von Wasser in den Baustoffen zu (Abbildung 12 auf S. 15). Bei praxisüblichem Normalbeton, der im Kontakt mit einer Luft von 60 - 85 % r.F. steht, sind im Gleichgewichtszustand ca. 30 bis ca. 60 % der Poren mit Wasser gefüllt. Bei einer Porosität von ca. 9 - 14 Vol.- % beträgt somit die effektive (offene, luftgefüllte) Porosität in der Regel schätzungsweise zwischen 3 (0.03) und 8 Vol.-% (0.08). Gemäss Nilsson (zitiert in Parrot 1995) ändert sich die relative Feuchte im Beton um 0.1 - 0.5 % pro °C. Für Messungen der relativen Feuchtigkeit gibt Parrot (1995) eine Standardabwei-chung von ca. 2.5 % an. Der Zusammenhang zwischen der Adsorption oder Desorption und der relativen Feuchte wird durch Sorptionsisotherme beschrieben. Zwischen der Adsorption und Desorption zeigt sich ein Unterschied, der mit Hysterese bezeichnet wird (Abbildung 31): Wird z.B. Beton von sehr hoher zu einer niedrigeren (Un) Umgebungsfeuchte umgelagert, gibt der Beton Wasser an die Luft ab. Im Beton stellt sich bei ausreichend langer Lagerung bei konstanter Umgebungs-


feuchte ein stationärer Feuchtigkeitsgehalt ein, der der Umgebungsfeuchte Un entspricht. Wird der gleiche Beton jedoch zuerst bei einer niedrigeren Luftfeuchtigkeit als Un gelagert und an-schliessend bei der höheren Luftfeuchtigkeit Un gelagert, wird dieser Beton, auch nach sehr langer Lagerung immer einen geringeren Feuchtigkeitsgehalt aufweisen, als der Beton, der immer bei einer Lagerungsfeuchte U ≥ Un gelagert wurde. Folglich geben Messungen der Luftfeuchtigkeit in einem Bohrloch nur einen groben Hinweis auf den Wassergehalt des Be-tons im Bereich der Bohrtiefe, da in der Regel nicht bekannt ist, welches Ausmass von Ad- und Desorption von Wasser der Beton vor der Messung hinter sich hat. Bei Sorptionsmessungen ist zusätzlich noch zu beachten, dass Salze im Baustoff das Sorpti-onsverhalten beeinflussen, bei der Installation der Messfühler Kondenswasserbildung unbe-dingt zu vermeiden ist und die Messfühler einen Langzeitdrift beim Signal aufweisen können.

Abbildung 31: Massenzunahme, bezogen auf die Masse bei 0 % r.F., in Abhängigkeit von der relativen Luftfeuchtigkeit für Ze-mentstein mit verschiedenen w/z-Werten, aus Wittmann (1992.;

3.3.4 Kapazitive Verfahren Als eine mögliche Methode zur Abschätzung der Betonfeuchte wird die kapazitive Messung angewandt (BAM, Kropp & Hilsdorf 1995, Reinhardt et al. 2005). Die Kapazität eines Konden-sators ist ein Mass für die Fähigkeit, Ladungen zu speichern. Die Speicherkapazität wächst mit dem Einbringen eines Dielektrikums (nicht elektrisch leitender Stoff) zwischen den Kon-densatorplatten. Die relative Dielektrizitätszahl beschreibt das Verhältnis, um das die Kapazi-tät eines Kondensators in Abhängigkeit vom Dielektrikum ansteigt. Dabei unterscheidet sich die Dielektrizitätszahl eines trockenen Baustoffs erheblich von der eines feuchten. Da die Die-lektrizitätszahl auch von anderen Parametern wie dem Salzgehalt deutlich beeinflusst wird, sind die Messergebnisse nicht immer einfach interpretierbar. In Abbildung 32 ist ein Gerät zur kapazitiven Feuchtebestimmung abgebildet, wie es im Rahmen dieser Untersuchungen verwendet wurde. Bei der Messung werden parallel zur Bauteiloberfläche Kondensatorplatten angeordnet. Das Messvolumen ist auf den Oberflächenbereich (maximal ca. 2 cm Eindringtie-fe) beschränkt.


Abbildung 32: Messgerät zur kapazitiven Bestimmung der Beton-feuchte.

3.3.5 Weitere Messmethoden Zahlreiche zerstörungsfreie Messmethoden (z.B. dielektrische und thermische Verfahren, ra-diometrische Verfahren, Kernresonanz-Verfahren, Neutronensonde) werden verwendet, um den Feuchtigkeitsgehalt von Beton zu bestimmen. Parrot (1998), BAM sowie im Anhang von Reinhardt et al. (2005) werden Messverfahren vorgestellt und teilweise bewertet. Je nach Me-thode wird eine unterschiedliche Betontiefe erfasst.

3.3.6 Beurteilung der Messmethoden Die Bestimmung der Betonfeuchte mit dem spezifischen elektrischen Widerstand ist weit ver-breitet, obwohl seit vielen Jahren die vielfältigen Einflüsse bei der Bestimmung bekannt sind und diese die Interpretation der Messwerte ohne weitere Informationen erschwert. Zur kapazitiven Bestimmung der Betonfeuchte liegen weniger Informationen vor. Dies bedeu-tet jedoch nicht, dass die Methode weniger Einflüsse als der spezifische elektrische Wider-stand aufweist. Die Bestimmung der relativen Feuchte in Bohrlöchern ist gering zerstörend. Von Vorteil ist jedoch, dass mit den Messwerten beurteilt werden kann, ob sich die Betonfeuchte im für die Luftpermeabilität eher günstigen Bereich zwischen ca. 60 und 80 % r.F. (vgl. Abschnitt 3.2.4 ab S. 19) bewegt. Keines der Verfahren ist geeignet, um ausreichend genau und zerstörungsfrei den Wasserge-halt in einem Beton zu bestimmen, zu dem keine weiteren Informationen vorliegen. Zudem muss noch beachtet werden, dass gerade im Überdeckungsbeton die Betonfeuchte nicht ho-mogen ist und auch die Betonvolumina, die für die Luftpermeabilitätsmessung relevant sind, nicht notwendigerweise auch bei der Feuchtemessung berücksichtigt werden. Da die Bestimmungen des spezifischen elektrischen Widerstandes und der Kapazität voll-ständig zerstörungsfrei und zumeist einfach anwendbar sind, wurden diese Methoden im Pro-jekt verwendet.

3.4 Anforderungen an repräsentative Messungen an Bauteilen Es bestehen kaum Vorschriften wie an Bauteilen repräsentative Messungen vorzunehmen sind. Als aussagekräftigstes Beispiel ist im Anhang A das Vorgehen der SN EN 12504-2 "Prü-fung von Beton in Bauwerken - Teil 2: Zerstörungsfreie Prüfung - Bestimmung der Rückprall-zahl" zitiert. In der Norm sind Hinweise zur Auswahl und Vorbereitung der Prüfflächen sowie der Vorbereitung, Durchführung und Auswertung der Messung enthalten.


Torrent (2000) empfiehlt folgende Messanordnung zur Bestimmung der Luftpermeabilität an einem Bauteil: Auf das zu untersuchende Bauteil wird gedanklich ein 1.2 m breites Quadrat mit einem 40 cm breiten Raster gelegt (Abbildung 33). In den vier Ecken (40 x 40 cm2 grossen Flächen) des 1.2 x 1.2 m2 grossen Quadrats werden die Luftpermeabilität und der spezifische elektrische Widerstand bestimmt. Somit sollen 4 Messungen pro zu untersuchender Bauteilfläche vorge-nommen werden. Brühwiler et al. (2005) empfehlen bei visuell homogenen Betonoberflächen drei und bei inho-mogenen Flächen fünf Luftpermeabilitätsmessungen zur Ermittlung der repräsentativen Luft-permeabilität. In Leemann et al. (2006) sind Hinweise enthalten, wie festgelegt werden kann, wie viele Messungen pro Bauteil vorzunehmen sind.

Luftpermeabilität Widerstand

40 cm 40 cm




Abbildung 33: Schema zur Bestimmung der Luftpermeabilität und des spezifischen elektri-schen Widerstands an einem Bauteil nach Torrent (2000).

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass kaum Anforderungen an die Auswahl von Messflächen für Bauteiluntersuchungen bestehen. Im Anhang B werden eigene Empfehlun-gen, die auf den im Rahmen des Forschungsprojektes gewonnen Erkenntnissen beruhen, vorgestellt.

Luftpermeabilität als Kenngrösse für die Betonqualität - Laboruntersuchungen 33

4 Laboruntersuchungen

4.1 Probenherstellung und Untersuchungsmethoden Im Labor wurden sechs Betone so hergestellt (Tabelle 7), dass das Zementleimvolumen 25 Vol.-% betrug. Mit jeder Betonsorte wurden vier Platten mit den Abmessungen 40 x 20 x 12 cm3 in einer mit Trennmittel behandelten Holzschalung liegend hergestellt; die Verdichtung erfolgte mit einem Innenrüttler. Die Abmessungen wurden so gewählt, dass die Bestimmung der Luftpermeabilität ohne Randeinflüsse möglich war, d.h. dass der Abstand zwischen den Messflächen und dem Aussenrand mehrere Zentimeter betrug (Abbildung 35, Abbildung 8 auf S. 14). Die Anrechnung der Flugasche und des Silikastaubs auf den w/z-Wert erfolgte mit dem k-Wert-Ansatz nach SN EN 206-1. Die Platten wurden nach dem Ausschalen (3. Tag) bei verschiedenen Klimata bis zur jeweiligen Prüfung gelagert (Tabelle 8). Die Lagerung bei 20 °C und 50 sowie 70 % r.F. erfolgte in klimatisierten Räumen, die Lagerung bei 20 °C und 90 % r.F. fand in einer Box statt, in der eine Salzlösung (Na2SO4⋅7 H2O) vorhanden war. Die bei 70 % r.F. gelagerten Proben wurden nach der Luftpermeabilitätsmessung nach 28, 90 oder 365 Tagen jeweils in Folie eingepackt (Schutz vor Feuchteaufnahme bzw. -abgabe) und zu-erst bei 5 °C in einem Klimaschrank für ca. drei Tage gelagert, dann in einen Raum mit 20 °C die Luftpermeabilität, die Betonfeuchte und der spezifische elektrische Widerstand bestimmt, erneut eingepackt und für ca. drei Tage bei 30 °C gelagert und anschliessend erneut die Mes-sungen bei Raumtemperatur vorgenommen. Nach diesen Messungen wurden die ausgepack-ten Proben wieder weiter bei 70 % r.F. und 20 °C gelagert. Alle Klimata wurden regelmässig kontrolliert.

Tabelle 7: Zusammensetzungen und Eigenschaften der Laborbetone; die Prüfkörper zur Druckfestigkeitsbestimmung wurden bis zum Prüftermin unter Wasser gelagert.

Betonsorte 1 2 3 4 5 6 Zementart CEM I CEM I CEM I CEM I CEM I CEM II/A-LLZement [kg/m3] 340 300 245 265 270 300 Flugasche [kg/m3] - - 80 - - - Silikastaub* [kg/m3] - - - 25 - - k-Wert 0.4 1 Anmachwasser [kg/m3] 136 150 139 145 162 150 w/zeq [-] 0.40 0.50 0.50 0.50 0.60 0.50 Grösstkorn [mm] 32** Ausbreitmass [mm] 420 450 380 380 530 400 Luftgehalt [Vol.-%] 1.0 0.5 1.0 0.9 0.3 1.1 28-Tage-Druckfestigkeit[MPa] 60.7 50.4 50.2 52.2 41.0 44.2 28-Tage-Rohdichte [kg/m3] 2475 2451 2447 2415 2433 2446

*Feststoffgehalt; Silikastaub wurde als Suspension eingesetzt; **runde Gesteinskörnung, Sieblinie in Mitte von SIA-Sieblinienbereich nach SIA 162, Figur 29 Die Frischbetoneigenschaften wurden nach SN EN 12350 und die Druckfestigkeit und Roh-dichte nach SN EN 12390 bestimmt. Alle Messungen der Luftpermeabilität, des spezifischen elektrischen Widerstandes und der kapazitiv bestimmten Betonfeuchte fanden auf der liegen-den Schalseite statt. Die Bestimmung der Luftpermeabilität erfolgte nach SIA 262/1, Anhang E (Messgerät Fa. Proceq, Abbildung 34, links). Die Luftpermeabilität wurde an den Platten im-mer an den gleichen Stellen bestimmt, d.h. die Platten wurden entsprechend markiert. Der spezifische elektrische Widerstand wurde mit einer 4-Punkt Wennersonde der Fa. Proceq (Abbildung 34, rechts) an den Stellen ermittelt, an denen die Luftpermeabilität gemessen wurde. Die Messung der Sauerstoffpermeabilität erfolgte nach Trocknung bei 105 °C und bei drei Messdrücken und wird als absolute Sauerstoffpermeabilität (Extrapolation zu unendli-chem Messdruck, d.h. Elimination des Gleitströmeffekts) angegeben (Jacobs 1994). Die Mit-


telwertbildung bei Permeabilitätsmessungen erfolgte mit dem geometrischen Mittel. Die kapa-zitive Feuchtebestimmung erfolgt mit einem Messgerät der Firma Tramex (Moisture Encoun-ter) an den Stellen, an denen die Luftpermeabilität gemessen wurde. Durch Aufsetzen des Gerätes auf den zu untersuchenden Untergrund kann direkt die Feuchtigkeit als CM-Feuchte oder 105 °C Feuchte abgelesen werden (Abbildung 32). Im Bericht ist immer die bei der 105 °C-Skala abgelesene Feuchte angegeben.

Abbildung 34: Messgeräte zur Bestimmung der Luftpermeabilität (links) und des spezifischen elektrischen Widerstandes (rechts); Messungen während des RILEM NEC-Vergleichsver-suchs.

Die Bestimmung der Bohrmehlfeuchte wurde wie folgt vorgenommen: Es wurden in der Mitte der langen Stirnseiten zu jedem Termin zwei Löcher (∅ = 15 mm7) 30 mm tief trocken und so langsam gebohrt, dass das Bohrmehl nicht mehr als handwarm wurde. Das Bohrmehl wurde zuerst bei 50 °C bis zur Massenkonstanz getrocknet, gewogen und anschliessend bei 105 °C bis zur Massenkonstanz weiter getrocknet und erneut gewogen. In Tabelle 8 ist angegeben, wann was gemessen wurde.

Abbildung 35: Lage der Messpunkte auf der liegenden Schalseite der 12 cm dicken Platten.

7 Gemäss SIA 162/2 "Quantitative Bestimmung des Chloridgehaltes von Beton" sind bei Beton mit 32 mm Grösstkorn 2 Löcher mit (∅ = 20 mm) zu bohren; da die Chloridgehaltsbestimmung in der Regel in 10 mm Schritten erfolgt, schien hier ein Bohrlochdurchmesser von 15 mm bei einer Tiefe von 30 mm vertretbar.

b = 20 cm

Abstand ≥ 2 cm

l 40 cm

Lage Messung TPT (∅ = 10 cm) Lage Bohrkernentnahme (∅ = 10 cm) für Messung Gaspermeabilität


Tabelle 8: Lagerungsbedingungen und Untersuchungsprogramm

Alter [Tag] Lagerung Arbeit/Messung 0 Herstellung von

3 15er Würfel pro Mischung 3 Platten (A - C) 40 x 20 x 12 cm3 Abdeckung der Proben mit Folie

3 ausschalen, Platten wägen 3 - 28 Würfel: Wasser

Platten: LF, 20 °C

28 Würfel: abdrücken Platten: wägen, TPT, EW, BF, BM

28 - 35 5 °C, in Folie eingepackt 35 TPT, EW, BF 35 - 40 30 °C, in Folie eingepackt TPT, EW, BF 40 – 90 LF, 20 °C 90 TPT, EW, BF, BM 90 - 95 5 °C, in Folie eingepackt 95 TPT, EW, BF 95 – 100 30 °C, in Folie eingepackt 100 TPT, EW, BF 100 - 350 LF, 20 °C 350 TPT, EW, BF, BM 350 – 355 5 °C, in Folie eingepackt 355 TPT, EW, BF 355 – 360 30 °C, in Folie eingepackt 360 TPT, EW, BF 361 Bk der Serie 6 (vgl. Tabelle 7 auf S. 33)

Sauerstoffpermeabilitätsmessung an Serie 6 361 – 363 Bk bei 105 °C 363 - 365 Bk bei 20 °C, in Folie ein-

gepackt

366 Sauerstoffpermeabilität an Bk der Serie 6 TPT: Torrent Permeability Tester: 3 Messungen EW: spezifischer, elektrischer Widerstand (Wenner-Sonde): 3 Messungen BF: kapazitiv bestimmte Betonfeuchte Bk: Bohrkerne ∅ = 100 mm, h = 50 mm ziehen für Sauerstoffpermeabilitätsmessung LF: Lagerungsfeuchte der Luft: je nach Serie Platte A: 50 %, Platte B 70 %, Platte C 90 % r.F. BM: Bohrmehlentnahme zur Feuchtebestimmung nach Trocknung bei 50 und 105 °C

4.2 Luftpermeabilität

4.2.1 Porositätsbedingte Korrektur der Luftpermeabilität Wie in Abschnitt 3.2.3.1 (S. 13ff) dargelegt, wird beim TPT-Gerät bei der Berechnung der Luftpermeabilität immer mit einer konstanten effektiven (luftgefüllten) Porosität von 15 % ge-rechnet. Im Rahmen dieses Projektes wurde die effektive Porosität der untersuchten Betone nicht bestimmt, da dies zu aufwendig gewesen wäre. Um den Einfluss trotzdem abzuschät-zen, wurden die Kapillarporositäten aus Tabelle D- 1 im Anhang D (Hunkeler et al. 2002), mit den Sorptionsisothermen von Major (Abbildung 12 auf S. 15) korrigiert und dazu die gemes-senen Luftgehalte des Frischbetons von Tabelle 7 (S. 33) addiert. In Abbildung 36 ist die vom Messgerät angezeigte Luftpermeabilität der um die effektive Porosität korrigierten Luft-permeabilität gegenüber gestellt. Die mit der effektiven Porosität korrigierte (tatsächliche) Luftpermeabilität ist immer höher (ca. Faktor 2). Bei dem untersuchten Beton zeigt sich zwi-schen beiden ein enger Zusammenhang.


y = 2x0.95

0.01

0.1

1

10

0.01 0.1 1 10

Luftpermeabilität mit 15 % Porosität [10-16 m2]

Luftp

erm

eabi

lität

mit

effe

ktiv

er

Poro

sitä

t [10

-16 m

2 ]

0.50 FA 365 Tage0.50 SS 28 Tage0.50 FA 365 Tage0.50 FA 28 Tage0.60 365 Tage0.60 28 Tage0.50 365 Tage0.50 28 Tage0.40 365 Tage0.40 28 Tage

Abbildung 36: Einfluss der effektiven Porosität auf die Luftpermeabili-tät.

Nachfolgend werden immer die Originaldaten benutzt, sofern nichts anderes erwähnt ist, da der porositätsbedingte Unterschied der Luftpermeabilitäten relativ gering und annährend kon-stant ist.

4.2.2 Einfluss des Alters und der Lagerungsfeuchte Nachfolgend sind die Ergebnisse der Luftpermeabilitätsmessungen dargestellt. Pro Platte wurden drei Messungen an drei Stellen durchgeführt und die Luftpermeabilität als geometri-sches Mittel der drei Messungen angegeben8 (Abbildung 37). Die Luftpermeabilität variierte zwischen ca. 0.02 und 2⋅10-16 m2. Der Beton mit einem w/z-Wert von 0.40 wies die geringsten Luftpermeabilitäten (< 0.1⋅10-16 m2) auf, gefolgt vom Beton mit dem w/z-Wert von 0.50. Beton mit einem w/z-Wert von 0.50 und hergestellt mit Portlandkalk-steinzement (PKZ = CEM II/A-LL 32.5R) wies die höchsten Luftpermeabilitäten auf; der Beton mit einem w/z-Wert von 0.60 war geringfügig dichter.

0.01

0.1

1

10

28Tage

90Tage

365Tage

28Tage

90Tage

365Tage

28Tage

90Tage

365Tage

28Tage

90Tage

365Tage

28Tage

90Tage

365Tage

28Tage

90Tage

365Tage

0.40 0.50 0.60 0.50 mit 80 kg FA 0.50 mit 25 kg SS 0.50 mit PKZ

Luftp

erm

eabi

lität

[10-1

6 m2 ]

A 50%B 70%C 90%

Abbildung 37: Luftper-meabilitäten der unter-suchten Betone in Ab-hängigkeit vom Alter und der Lagerungsfeuchte (50, 70, 90 %); FA: Flugasche SS: Silikastaub PKZ: Portlandkalkstein-

zement.

Zwischen der 28-Tage-Luftpermeabilität und der Zunahme der Luftpermeabilität bis zum Messalter von 90 oder 365 Tagen zeigt sich kein allgemeiner, von der Betonsorte unabhängi- 8 Hinweise zu den Streuungen der Luftpermeabilitätsmessungen sind im Abschnitt 4.7 (S. 51) enthal-ten.


ger Zusammenhang (Abbildung 37, Tabelle 9). Bei 50 % r.F. gelagerte Proben zeigten eine Zunahme der Luftpermeabilität bis auf das 8.5fache von den nach 28 Tagen gemessenen Werten; dagegen nahm die Luftpermeabilität von den bei 90 % r.F. gelagerten Proben konti-nuierlich ab. Die Ursachen hierfür werden am Ende des Anschnitts diskutiert.

Tabelle 9: Über alle Betone gemitteltes Verhältnis der Luftpermeabilität in Bezug zur 28-Tage-Luftpermeabilität in Abhängigkeit von der Lagerungsdauer und -feuchte.

bei 20 °C und einer Lagerungsfeuchte von: Alter [Tage] Mittelwert 50 % 70 % 90 % 28 1 1 1 1 90 1.4 2.2 1.1 0.9 365 3.7 8.5 2.0 0.8

Die Luftpermeabilität veränderte sich zwischen den Messungen nach 28 und 365 Tagen je nach Lagerung und Betonsorte wie folgt (Abbildung 38):

• Beton mit einem w/z-Wert von 0.40 und 0.50 und ohne Zusatzstoffe hatte in der Re-gel die geringste und der Beton mit Zement PKZ (CEM II/A-LL) zumeist die höchste Luftpermeabilität.

• Bei Proben mit 28-Tage-Luftpermeabilitäten (Abbildung 38, links) o von grösser als etwa 0.1⋅10-16 m2 nahm zumeist die Luftpermeabilität zu. o von kleiner als etwa 0.1⋅10-16 m2 ist die Änderung geringer und uneinheitlich.

• Bei 50 % r. F. gelagerte Proben (dünn punktierte Linien in Abbildung 38, rechts) wiesen

o zumeist die höchsten Luftpermeabilitäten auf o zeigten eine kontinuierliche Zunahme der Luftpermeabilität mit zunehmendem

Alter o zumeist die grössten Zunahmen bei der Luftpermeabilität mit zunehmender La-

gerungsdauer auf. • Bei 90 % r. F. gelagerte Proben (ausgezogene Linien in Abbildung 38, rechts)

o zeigten zumeist eine Abnahme der Luftpermeabilität zwischen 28 und 90 Tagen Zunahme der Luftpermeabilität zwischen 90 und 365 Tagen

o wiesen zumeist die geringsten Luftpermeabilitäten auf niedrigsten Zunahmen bei der Luftpermeabilität mit zunehmender Lage-

rungsdauer zwischen 28 und 365 Tagen auf.


0.0

0.1

1.0

10.0

28 90 365Alter [Tage]

Luftp

erm

eabi

lität

[10-1

6 m2 ]

0.50 PKZ 90 % 0.50 PKZ 70 % 0.50 PKZ 50 %0.60 90 % 0.60 70 % 0.60 50 %0.50 SS 90 % 0.50 SS 70 % 0.50 SS 50 %0.50 FA 90 % 0.50 FA 70 % 0.50 FA 50 %0.50 90 % 0.50 70 % 0.50 50 %0.40 90 % 0.40 70 % 0.40 50 %

0.50 90 %0.50 PKZ 90 %

0.60 90 %

0.60 70 %

0.40 90 %

Mittelwert

0

1

10

100

28 90 365Alter [Tage]

Perm

eabi

lität

sänd

erun

g zw

. 28

und

90 b

zw. 3

65 T

age

[-]

0.50 SS 90 % 0.50 SS 70 % 0.50 SS 50 %0.50 FA 90 % 0.50 FA 70 % 0.50 FA 50 %0.50 90 % 0.50 70 % 0.50 50 %0.50 PKZ 90 % 0.50 PKZ 70 % 0.50 PKZ 50 %0.60 90 % 0.60 70 % 0.60 50 %0.40 90 % 0.40 70 % 0.40 50 %Mittelwert

Abbildung 38: Luftpermeabilitäten (links) und Luftpermeabilitätsänderungen, bezogen auf die 28-Tage-Luftpermeabilität (rechts) der untersuchten Betone in Abhängigkeit vom Alter und der Lagerungsfeuchte.

Vergleicht man die hier bei Beton mit w/z-Werten von 0.50 und 0.60 und einer Lagerungs-feuchte von 50 % beobachteten Zunahmen der Luftpermeabilität nach 28 und 365 Tagen, ergibt sich eine Zunahme um rund das Zehnfache. Brühwiler et al. (2005) ermittelten eine ähnlich grosse Zunahme9 bei Betonen mit w/z-Werten von 0.43 und 0.52, die bei 60 % r.F. gelagert wurden. Romer & Leemann (2005) fanden ebenfalls, dass Beton bei gleichem w/z-Wert mit Zement CEM II/A-LL eine höhere Luftpermeabilität als Beton mit Zement CEM I auf-weist, jedoch betrug der Unterschied nicht etwa das Zehnfache sondern nur etwa das Zweifa-che. Auf Grund der Ergebnisse in Jacobs (1994) und in Abbildung 18 auf Seite 20 wäre vor allem bei den Betonen mit einem Bindemittel nur aus Zement CEM I eine kontinuierliche Zunahme der Luftpermeabilität mit zunehmender Trocknungsdauer (Erhöhung der effektiven Porosität) von 28 bis 365 Tagen zu erwarten. Bei der Lagerung bei 50 % r.F. war dies sehr deutlich, bei der Lagerung bei 70 % r.F. weniger deutlich sichtbar und bei der Lagerung bei 90 % zumeist nicht mehr sichtbar (Abbildung 38, Tabelle 9, Abbildung D- 6 in Anhang D). Bei der Lage-rung bei 50 % r.F. findet einerseits eine starke Austrocknung des Überdeckungsbetons und andererseits wird die Hydratation des Zementes gebremst. Beide Effekte führen zum starken Anstieg der Luftpermeabilität zwischen 28 und 365 Tagen. Bei der Lagerung bei 90 % bewirkt ein zusätzlicher Effekt ein deutlich anderes Verhalten. Bei der Lagerung bei 70 % r.F. ist der zusätzliche Effekt weniger deutlich ausgeprägt. Romer (2005b) gab als zusätzlichen Effekt die Verdampfung von Wasser während der Messung an. Hierauf wurde näher in Abschnitt 3.2.3.1

9 Messalter 26 und 389 Tage


(S. 13) eingegangen. Werden die Daten von Torrent & Frenzer (1993) oder Brühwiler et al. (2005) näher analysiert, zeigen sich auch dort bei sehr feuchten Betonen Abnahmen in der Luftpermeabilität mit zunehmender Lagerungsdauer, die nicht durch eine Gefügeverdichtung in Folge der Zementhydratation erklärt werden können. D.h. diese Versuche bestätigen das Auftreten des zusätzlichen Effekts. Allgemein kann Folgendes formuliert werden:

• Bei gleichem Betonalter ist die Beeinflussung der Luftpermeabilität durch die Was-serverdampfung tendenziell umso grösser, je dichter und feuchter der oberflächen-nahe Beton ist.

• Würden die effektiven Porositäten bei der Berechnung der Luftpermeabilität in Abbildung 37 eingehen (vgl. Abbildung 13 auf S. 16), würden die Luftpermeabi-litäten umso mehr erhöht werden, je geringer die effektive Porosität bzw. höher die Lagerungsfeuchte wäre.

4.2.3 Temperatureinfluss Mit zunehmender Betontemperatur von 5 auf 30 °C nahm die Luftpermeabilität generell zu (Abbildung D- 7). Im Vergleich zur bei 5 °C gemessenen Luftpermeabilität lag für alle Mess-zeitpunkte (28 - 365 Tage) die Luftpermeabilität im Mittel bei 20 °C bei 152 % und bei 30 °C bei 252 % (Abbildung 39), d.h. bei einer Temperaturerhöhung bis 20 °C nahm die Luftper-meabilität um ca. 3 % pro Grad Celsius und bei einer weiteren Temperaturerhöhung von 20 auf 30 °C nahm die Luftpermeabilität um 10 % pro Grad Celsius zu. Wird die Mittelung pro Messzeitpunkt (28, 90 oder 365 Tage) durchgeführt, zeigt sich, dass bei 28 Tagen der Tem-peratureinfluss am grössten und bei 90 Tagen am geringsten ist (Tabelle 10).

0

100

200

300

400

500

600

700

28 90 365 28 90 365 28 90 365 28 90 365 28 90 365 28 90 365

0.40 0.50 0.60 0.50 FA 0.50 SS 0.50 PKZ

Änd

erun

g Lu

ftper

mea

bilit

ät [%

von

5 °C

]

20 °C30 °CMittelwert 20 °CMittelwert 30 °C

Abbildung 39: Einfluss der Temperatur auf die Luftpermeabilität; die Luftpermeabilität ist auf die bei 5 °C gemessene Werte bezogen.

Tabelle 10: Über alle Betonsorten gemittelte Luftpermeabilität und spezifischer elektrischer Widerstand in Abhängigkeit von der Temperatur, bezogen auf den bei 5 °C gemessenen Wert

Luftpermeabilität [% von 5 °C]

spez. elektrischer Widerstand [% v. 5 °C]

Lagerung 20 °C 30 °C 20 °C 30 °C 28 Tage 191 272 74 87 90 Tage 115 201 85 70 365 Tage 132 249 91 65 Mittelwert 152 252 84 74 In Abbildung 40 ist das Verhältnis in Prozent der bei 20 bzw. 30 °C gemessenen Luftperme-abilität zu der bei 5 °C gemessenen in Abhängigkeit von der bei 5 °C gemessenen Luftperme-abilität aufgetragen. Ein Wert von 200 % bei einem Messpunkt bei 30 °C bedeutet, dass die


bei 30 °C gemessene Luftpermeabilität zweimal höher als die bei 5 °C gemessene ist. Es zeigte sich eine Zweiteilung:

• Ist die bei 5 °C gemessene Luftpermeabilität geringer als etwa 0.04⋅10-16 m2, ist der Temperatureinfluss gross.

• Liegt die an einem Beton bei 5 °C gemessene Luftpermeabilität über 0.04⋅10-16 m2, so weist dieser Beton bei einer Lagerung bei 20 °C eine bis maximal 150 % höhere Luftpermeabilität auf; wird der Beton bei 30 °C gelagert, erhöht sich die Luftpermeabilität auf 150 bis 200 % von der bei 5 °C gemessenen.

In Übereinstimmung damit wurde beim RILEM-Vergleichsversuch kein signifikanter Unter-schied zwischen Lagerungstemperaturen von 10 und 20 °C gemessen (Romer 2005b). Romer & Leemann (2006) fanden auch eine Abhängigkeit des Temperatureinflusses (5, 10, 20 °C) auf die Luftpermeabilität. Lagen die bei 5 °C gemessenen Luftpermeabilitäten unterhalb von 0.03⋅10-16 m2, wurde ein deutlicher Temperatureinfluss bei einer Erhöhung der Temperatur von 10 auf 20 °C festgestellt; oberhalb von 0.2⋅10-16 m2 ist nur noch ein geringer (vergleichba-rer wie in Abbildung 40) Einfluss erkennbar. Würde die effektive Porosität bei der Berechnung der Luftpermeabilität berücksichtigt werden, sollte sich kaum eine Änderung ergeben, da die effektive Porosität für jeden Beton bei allen 3 Messtemperaturen (5, 20 und 30 °C) gleich ist.

0

100

200

300

400

500

600

700

0.01 0.1 1 10

Luftpermeabilität bei 5 °C [10-16 m2]

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bei

20

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°C z

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5 °C

[%]

30 °C 28 Tage30 °C 90 Tage30 °C 365 Tage20 °C 28 Tage20 °C 90 Tage20 °C 365 Tage

0.50

0.50 SS

0.40

0.40

0.50

0.04

Abbildung 40: Zusammenhang zwischen der bei 5 °C gemes-senen Luftpermeabilität mit der bei 20 und 30 °C gemessenen.

Zusätzlich ist anzumerken, dass mit zunehmender Temperatur (und Wassergehalt im Beton) auch die Verdunstung von Wasser im Beton in der Messkammer zunimmt, da der Wasser-dampfdruck mit steigender Temperatur zunimmt (Abbildung 9 auf S. 14). Bei jungem, feuch-tem Beton ist der Effekt der Verdunstung auf die gemessene Luftpermeabilität grösser als bei älterem, trockenem Beton (Tabelle 10). Es kann vermutet werden, dass ein (deutlicher) Teil des in Abbildung 40 dargestellten temperaturbedingten Effekts bei geringen Luftpermea-bilitäten (dichtem Beton) durch die Wasserverdunstung verursacht wird.

4.2.4 Luft- und Sauerstoffpermeabilität Nach der letzten Bestimmung der Luftpermeabilität im Alter von 1 Jahr wurden je drei Bohr-kerne aus den Platten gezogen, diese bei 105 °C getrocknet10 und daran die Sauerstoff-permeabilität (Methode Cembureau, siehe Abschnitt 3.2 auf S. 12ff) bestimmt. Folgendes zeigt sich beim Vergleich der Sauerstoff- mit der Luftpermeabilität (Abbildung 41, Tabelle D- 1):

• Die Sauerstoffpermeabilitäten nach 105 °C-Trocknung lagen bei den getrockneten Proben zwischen 0.3 und 2⋅10-16 m2. Der Beton Nr. 1 (mit dem w/z-Wert von 0.40) wies die geringste und der Beton Nr. 6 mit PKZ die höchste Sauerstoffpermeabilität

10 Untersuchungen u.a. in der TFB mit der Cembureau-Methode zeigten, dass durch eine 105 °C-Trocknung Beton kaum irreversibel geschädigt wird. Untersuchungen von u.a. Carcasses et al. (2002) bestätigen dies.


auf. Die nach Trocknung bei 105 °C bestimmte Sauerstoffpermeabilität war bei Per-meabilitäten von ca. ≥ 1⋅10-16 m2 nahezu identisch mit der Luftpermeabilität; mit ab-nehmender Permeabilität nahm der Unterschied zwischen der Sauerstoff- und Luft-permeabilität zu, wobei die Sauerstoffpermeabilität immer höher war. Da durch die Trocknung bei 105 °C der Beton sehr viel stärker als bei der Luftlagerung trocknet, ist der Unterschied zwischen der Sauerstoff- und Luftpermeabilität verständlich.

• An den Bohrkernen der Serie 6 (Beton mit w/z = 0.50 und PKZ) wurde die Sauerstoff-permeabilität auch ohne Trocknung bestimmt: sie lag bei etwa 1/5 bis 1/10 von derje-nigen nach der 105 °C-Trocknung und war immer geringer als die Luftpermeabilität. Dies kann durch unterschiedliche Trocknungsgrade des Kerns und dem Rand der Probe erklärt werden. Im feuchten Kern sind viele Poren mit Wasser gefüllt, die den Sauerstofffluss durch die Probe behindern; dadurch werden deutlich niedrigere Sau-erstoffpermeabilitäten im Vergleich zu den Luftpermeabilitäten, die am trockeneren Rand gemessen werden, bestimmt.

• Bei Sauerstoffpermeabilitätsmessungen nach 50 °C-Trocknung wurde Folgendes ermittelt:

o Werden die Sauerstoffpermeabilitätsmessungen nach 50 °C-Trocknung von Hunkeler et al. (2002) an Betonen mit sehr ähnlicher Rezeptur und gleichen Ausgangsstoffen den hier durchgeführten Luftpermeabilitätsmessungen ge-genüber gestellt (Abbildung 41), kommen die Messwerte ungefähr auf der Winkelhalbierenden zu liegen.

o Die Ergebnisse von RILEM NEC (Romer 2005b) und Romer (2005a) stellen demgegenüber eher den Zusammenhang der "gestrichelten Linie" (y = 2 x0.95) dar, dem die effektive Porosität zugrunde liegt (siehe Abschnitt 4.2.1 auf S. 35f). Dies bedeutet, dass durch die 50 °C-Trocknung der Beton keine stärkere Trocknung als durch Trocknung an Raumluft erfährt, was plausibel ist.

o Im Gegensatz dazu fanden Torrent & Frenzer (1995) einen abweichenden Zu-sammenhang zwischen der Luftpermeabilität und der Sauerstoffpermeabilität nach 50 °C Trocknung11: Die Luftpermeabilität war immer geringer als die Sau-erstoffpermeabilität. Neuere Untersuchungen von Torrent (Andrade et al. 2000) ergaben demgegenüber eine bessere Übereinstimmung zwischen der Luftper-meabilität und der Sauerstoffpermeabilität nach siebentägiger 50 °C-Trocknung (Abbildung 41).

In erster Näherung kann der in Abbildung 41 durch die gestrichelte Linie dargestellte Zu-sammenhang als repräsentativ für den Zusammenhang zwischen der Luftpermeabilität kT und der Sauerstoffpermeabilität kO50 nach 50 °C-Trocknung angesehen werden: kO50 = 2 x kT0.95 [m2] Der Zusammenhang zwischen der Luftpermeabilität und der Sauerstoffpermeabilität (an stär-ker getrockneten Proben wie z.B. bei 105 °C) kann durch folgende Gleichung beschrieben werden: kO = 1.6 x kT 0.35 [m2]

11 Sauerstoffpermeabilität gemessen nach sechstägiger 50 °C-Trocknung der Proben


y = 2.5x0.7

0.01

0.10

1.00

10.00

100.00

0.01 0.1 1 10 100

Luftpermeabilität [10-16 m2]

Saue

rsto

ffper

mea

bilit

ät [1

0-16 m

2 ]

w/z 0.50 mit PKZ: 105 °Cw/z 0.60: 105 °Cw/z 0.50 Silikastaub: 105 °Cw/z 0.50 FA: 105 °Cw/z 0.50: 105 °Cw/z 0.40: 105 °Cw/z 0.50 mit PKZ ohne TrocknungTorrent & Frenzer, 1995: 6 d 50 °CRomer 2005b: 4 d 50 °Ceigene Daten + Hunkeler et al.: 14 d 50 Romer 2005a: 6 d 50 °CAndrade et al. 2000: 7d 50 °C; 28 d

y=2x0.95

y = 1.6x0.35

Abbildung 41: Zusammenhang zwischen der Luftpermeabilität und der Sauerstoffper-meabilität, jeweils im Alter von ca. 1 Jahr (Andrade et al. nach 28 Tagen) bestimmt, ohne sowie nach 50 und 105 °C Trocknung und Daten aus der Literatur; die gestrichelte Linie stellt den Einfluss der effektiven Porosität dar (siehe Abschnitt 4.2.1 auf S. 35); die rosafarbene Linie stellt den Zusammenhang für bei 105 °C getrocknete Proben dar.


4.3 Spezifischer elektrischer Widerstand

4.3.1 Einfluss der Lagerungsfeuchte In Abbildung 42 sind die zu verschiedenen Zeitpunkten und bei unterschiedlichen Lage-rungsfeuchten ermittelten spezifischen elektrischen Widerstände dargestellt. Der Variations-koeffizient (Standardabweichung geteilt durch Mittelwert) bei jeweils drei Messungen lag zwi-schen 10 und 20 %. Dies entspricht den Angaben von Polder (2000) (siehe Abschnitt 3.3.2.1 auf S. 24f). Je älter und trockener der Beton war, desto höher waren die spezifischen elektri-schen Widerstände. Die geringsten spezifischen elektrischen Widerstände wurden in jungem Alter (≤ 90 Tage) bei Betonen mit Zement CEM I und ohne Zusatzstoffe bei w/z-Werten von 0.40 bis 0.60 sowie beim Beton mit PKZ (CEM II/A-LL) und einem w/z-Wert von 0.50 ermittelt. Betone mit Zusatzstoffen (Flugasche, Silikastaub) wiesen die höchsten spezifischen elektri-schen Widerstände auf. Deutlich zeigt sich die Abnahme des spezifischen elektrischen Wider-standes mit zunehmender Lagerungsfeuchte (50 90 % r.F.).

10

100

1000

28 T

age

90 T

age

365

Tage

28 T

age

90 T

age

365

Tage

28 T

age

90 T

age

365

Tage

28 T

age

90 T

age

365

Tage

28 T

age

90 T

age

365

Tage

28 T

age

90 T

age

365

Tage

0.40 0.50 0.60 0.50 mit 80 kgFA

0.50 mit 25 kgSS

0.50 mit PKZ

spez

. ele

ktris

cher

Wid

erst

and

[kΩ

cm]

A 50%B 70%C 90%

Abbildung 42: Einfluss der Lagerungsfeuchte auf den spezifischen elektrischen Widerstand; ein Widerstand von 1000 kΩcm bedeutet, dass der Beton zu trocken war, um den Widerstand zu messen.

Die spezifischen elektrischen Widerstände in Abbildung 42 stimmen im Rahmen der Mess-genauigkeit und Vergleichbarkeit mit den Angaben von Tabelle 4 (S. 6) sowie Daten aus Tor-rent & Ebensperger (1993), Torrent & Frenzer (1995) und Bürchler (1996) überein. Mit zunehmender Lagerungsdauer nahm der spezifische elektrische Widerstand zu (Abbildung 43):

• Zwischen 28 und 90 Tagen nahm der spezifische elektrische Widerstand - bis auf Beton mit reaktiven Zusatzstoffen - um weniger als das Zweifache zu. Bei Beton mit reaktiven Zusatzstoffen nahm der spezifische elektrische Widerstand um etwa das Dreifache (Silikastaub) bzw. Zweifache (Flugasche) zu. Die Zunahme war für alle drei Lagerungsfeuchten ähnlich.

• Zwischen 28 und 365 Tagen nahm der spezifische elektrische Widerstand sehr un-einheitlich zu. Die grössten Zunahmen wurden bei dem porösesten Beton (w/z = 0.60) sowie Beton mit PKZ oder reaktiven Zusatzstoffen bei 50 % Lagerungsfeuchte ermittelt.

Abbildung 43 verdeutlichen auch, dass durch die Verwendung reaktiver Zusatzstoffe (Flug-asche, Silikastaub) der spezifische elektrische Widerstand mindestens so stark beeinflusst werden kann, wie durch eine unterschiedliche Betonfeuchte in Folge einer Lagerung bei 50 bis 90 % r.F. D.h. bei unbekannten Beton kann anhand des spezifischen elektrischen Wider-standes die Betonfeuchte nicht zuverlässig beurteilt werden.


1

10

100

0.40 0.50 0.60 0.50 FA 0.50 SS 0.50 PKZ

spez

. ele

ktr.

Wid

erst

and

[% v

on 2

8-Ta

ge-W

ert] 50 %, 365 Tage

70 %, 365 Tage90 %, 365 Tage50 %, 90 Tage70 %, 90 Tage90 %, 90 Tage

spez. elektr. Widerst. nicht messbar; Wert 1000 zur Berechnung verwendet

Abbildung 43: Änderung des spezifischen elektri-schen Widerstandes mit zunehmender Lage-rungsdauer in Abhängig-keit von der Lagerungs-feuchte und der Beton-sorte.

4.3.2 Einfluss der Temperatur Die bei 20 °C und 70 % r.F. gelagerten Proben wurden jeweils - eingepackt in Folie - während etwa drei Tagen bei 5 bzw. 30 °C gelagert. D.h. der Feuchtigkeitsgehalt der Proben änderte sich nicht. Mit zunehmender Lagerungstemperatur nahm zumeist der spezifische elektrische Widerstand ab (Abbildung 44). Ausnahmen hiervon waren vor allem Betone mit Silikastaub und Flugasche im Alter von 365 Tagen, welches nicht durch die übliche Prüfstreuung erklärt werden kann. Die Ursache hierfür ist nicht klar.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

28Tage

90Tage

365Tage

28Tage

90Tage

365Tage

28Tage

90Tage

365Tage

28Tage

90Tage

365Tage

28Tage

90Tage

365Tage

28Tage

90Tage

365Tage


spez

. ele

ktr.

Wid

erst

and

[kΩ

cm]

5°C20 °C30 °C

Abbildung 44: Ein-fluss der Tempera-tur auf den spezi-fischen elektri-schen Widerstand.

Im Mittel über alle Messzeitpunkte nahm der spezifische elektrische Widerstand durch die Temperaturerhöhung von 5 °C auf 20 bzw. 30 °C um 16 bzw. 26 % ab (Tabelle 10 auf S. 39, Abbildung 45). Wird der Temperatureinfluss zu jedem Messzeitpunkt (d.h. mit unterschiedli-chem Hydratationsgrad und Feuchtigkeitsgehalt der Betone) betrachtet, ergeben sich davon leichte Abweichungen (Tabelle 10 auf S. 39). Im Mittel nahm im Bereich von 5 bis 30 °C pro Grad Celsius Temperaturerhöhung der spezifische elektrische Widerstand um 1 % ab. Dieser Wert ist geringer als derjenige der Faustformel mit 2 - 5 % pro K (Abschnitt 3.3.2.4, S. 27f).


0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

28Tage

90Tage

365Tage

28Tage

90Tage

365Tage

28Tage

90Tage

365Tage

28Tage

90Tage

365Tage

28Tage

90Tage

365Tage

28Tage

90Tage

365Tage

0.40 0.50 0.50 mit 80 kg FA 0.50 mit 25 kg SS 0.60 0.50 mit PKZ

auf 5

°C n

orm

iert

er e

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r. W

ider

stan

d [-]

5°C20 °C30 °CMittelwert 30 °CMittelwert 20 °C

Abbildung 45: Einfluss der Temperatur auf den bei 5 °C gemesse-nen spezifi-schen elektri-schen Wider-stand.

4.4 Betonfeuchte Da die Bestimmung der Bohrmehlfeuchte unrealistische (zu tiefe) Werte ergab, werden die Ergebnisse hier nicht weiter behandelt. Die Ergebnisse sind im Anhang D dargestellt. Die am Überdeckungsbeton kapazitiv bestimmte Betonfeuchte (gemäss Messgeräteskala für 105 °C-Betonfeuchte) lag zwischen ca. 3.5 und > 6 M.-% (Abbildung 46). Dies stimmt mit der rechnerischen Abschätzung in Anhang D, Abbildung D- 4, (3.5 - 5 M.-%) relativ gut überein. Die Lagerungstemperatur hatte einen im Mittel, wie zu erwarten, vernachlässigbaren Einfluss auf die kapazitiv bestimmte Betonfeuchte (Abbildung 46); bei einzelnen Betonsorten (z.B. Beton mit Silikastaub) zeigten sich grössere Einflüsse. Die Messungen bei 20 °C wiesen im Mittel gering höhere (ca. 5 %) Betonfeuchten als Messungen bei 5 oder 30 °C auf (Abbildung 47).

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

28Tage

90Tage

365Tage

28Tage

90Tage

365Tage

28Tage

90Tage

365Tage

28Tage

90Tage

365Tage

28Tage

90Tage

365Tage

28Tage

90Tage

365Tage


kapa

zitiv

bes

timm

te B

eton

feuc

hte

[M.-%

] 5°C20 °C30 °C

Abbildung 46: Einfluss der La-gerungstempe-ratur auf die ka-pazitiv bestimm-te Betonfeuchte.


0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

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1.2

1.3

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28Tage

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365Tage

28Tage

90Tage

365Tage

28Tage

90Tage

365Tage

28Tage

90Tage

365Tage

28Tage

90Tage

365Tage

28Tage

90Tage

365Tage


auf 5

°C n

orm

iert

e ka

pazi

tiv

best

imm

te B

eton

feuc

hte

[-]5°C20 °C30 °CMittelwert 30 °CMittelwert 20 °C

Abbildung 47: Einfluss der Lage-rungstemperatur auf die bei 5 °C gemessene nor-mierte kapazitiv bestimmte Beton-feuchte.

Unter Berücksichtigung der Genauigkeit des Messgerätes (Skala mit 1 % Einteilung) kann auf Grund der präsentierten Ergebnisse auf keinen grossen (wahrscheinlich vernachlässigbaren) Einfluss der Temperatur zwischen 5 und 30 °C auf die Messung geschlossen werden. Zur definitiven Beantwortung sind weitere Messungen notwendig. Da die kapazitiv bestimmte Betonfeuchte und der spezifische elektrische Widerstand wenig durch die Lagerungstemperatur beeinflusst werden (Abbildung 45, Abbildung 46), ändern sich die Zusammenhänge zwischen kapazitiv bestimmter Betonfeuchte und dem spezifischen elektrischen Widerstand nur gering in Abhängigkeit von der Lagerungstemperatur (Abbildung 48). Die tiefen Korrelationskoeffizienten weisen auf keinen bzw. einen sehr losen Zusammen-hang hin.

y = -0.4103Ln(x) + 6.6135R2 = 0.4211

y = -0.1965Ln(x) + 5.8996R2 = 0.1942

y = -0.1117Ln(x) + 5.5808R2 = 0.1766

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

0 50 100 150 200 250 300 350 400

spezifischer elektrischer Widerstand [kΩcm]

kapa

zitiv

bes

timm

te B

eton

feuc

hte

[M.-%

]

30 °C20 °C5 °C

Abbildung 48: Zusammen-hang zwischen kapazitiv be-stimmter Be-tonfeuchte und dem spezifi-schen elektri-schen Wider-stand in Ab-hängigkeit von der Tempera-tur.


4.5 Luftpermeabilität und Betonfeuchte Ziel war es herauszufinden, ob ab einem Trocknungsgrad des Betons (dargestellt als spezifi-scher elektrischer Widerstand oder kapazitiv bestimmte Betonfeuchte) sich die Luftpermeabili-tät kaum noch änderte. In Abbildung 49 ist der Zusammenhang zwischen dem spezifischen elektrischen Widerstand und der Luftpermeabilität für die verschiedenen Betonsorten in Ab-hängigkeit vom Betonalter dargestellt. Im Betonalter von 28 Tagen sind die gemessenen spe-zifischen elektrischen Widerstände deutlich geringer und die Luftpermeabilitäten ähnlich bis geringer als nach 365 Tagen. Wird als Basis für eine Beurteilung der Betonqualität die nach 1 Jahr bei 70 % r.F. Lagerungsfeuchte gemessene Luftpermeabilität herangezogen, kann aus Abbildung 49 Folgendes entnommen werden. Um den Feuchteeinfluss ausreichend zu mini-mieren, muss der spezifische elektrische Widerstand bei • Beton ohne reaktive Zusatzstoffe (w/z = 0.40 bis 0.60) ≥ ca. 40 - 90 kΩcm und • Beton mit Flugasche oder Silikastaub ≥ ca. 100 - 300 kΩcm sein. Es kann somit keine allgemein gültige Grenze (unabhängig von der Betonqualität) für unter-schiedliche Betone und Alter definiert werden, oberhalb der der Einfluss der Betonfeuchte, bestimmt mit dem spezifischen elektrischen Widerstand, vernachlässigt werden kann.

10

100

1000

0.01 0.1 1 10Luftpermeabilität [10-16 m2]

spez

. ele

ktris

cher

Wid

erst

and

[kΩ

cm]

w/z = 0.60 28 dw/z = 0.60 365 dw/z = 0.50 28 dw/z = 0.50 365 dw/c = 0.40 28 dw/z = 0.40 365 d

50%

70%

90%

50%

50%50%

50%

50%

10

100

1000

0.01 0.1 1 10


spez

. ele

ktris

cher

Wid

erst

and

[kΩ

cm]

w/c = 0.60; CEM Iw/c = 0.50; CEM Iw/c = 0.40; CEM Iw/ceq = 0.50; CEM I + FAw/ceq = 0.50; CEM I + SSw/c = 0.50; CEM II/A-LL

50%70%

90%

50%

70%

365 d

elektr. Widerst. nicht messbar; Wert 1000 angenommen

Abbildung 49: Luftpermeabilität und spezifischer elektrischer Wi-derstand bei ver-schiedenen Lage-rungsfeuchten, Betonsorten und -alter; die Kurven verbinden jeweils die Messpunkte eines Betons bei den drei Lage-rungsfeuchten; bei ausgewählten Li-nien sind die Lage-rungsfeuchten angegeben.


In Abbildung 50 ist die kapazitiv bestimmte Betonfeuchte gegenüber der Luftpermeabilität aufgetragen, um herauszufinden, ob die kapazitiv bestimmte Betonfeuchte besser als der spezifische elektrische Widerstand geeignet wäre, eine Grenze festzulegen, unterhalb der der Einfluss der Betonfeuchte auf die Luftpermeabilität gering (vernachlässigbar) ist. Bei Betonen

• ohne reaktive Zusatzstoffe könnte eine kapazitiv bestimmte Betonfeuchte von etwa 5 M.-% zumeist als mögliche Grenze für das Betonalter von 365 Tagen benutzt wer-den.

• mit reaktiven Zusatzstoffen könnte die Grenze tiefer und zwar bei etwa 4 - 4.5 M.-% liegen.

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

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0.01 0.1 1 10


kap.

bes

tim. B

eton

feuc

hte

[M.-%

] w/c = 0.60 28 dw/c = 0.60 365 dw/c = 0.50 28 dw/c = 0.50 365 dw/c = 0.40 28 dw/c = 0.40 365 d

90

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50

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3.5

4.0

4.5

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5.5

6.0

6.5

7.0

0.01 0.1 1 10


w/c = 0.60; CEM Iw/c = 0.50; CEM Iw/c = 0.40; CEM Iw/ceq = 0.50; CEM I + FAw/ceq = 0.50; CEM I + SSw/c = 0.50; CEM II/A-LL

50%

70%

90%

50%

70%

365 d

Abbildung 50: Luftpermeabilität und kapazitiv bestimmte Betonfeuchte bei verschiedenen Lage-rungsfeuchten, Betonsorten und -alter; die Kurven verbinden jeweils die Messpunkte eines Be-tons bei den drei Lagerungsfeuchten; bei ausgewählten Linien sind die Lagerungsfeuchten an-gegeben.

Gemäss den Ergebnissen in Abbildung 49 und Abbildung 50 kann weder für die kapazitiv bestimmte Betonfeuchte noch den spezifischen elektrischen Widerstand eine von der Beton-zusammensetzung unabhängige gültige Grenze festgelegt werden, ab der der Einfluss des Wassergehaltes auf die Luftpermeabilität vernachlässigbar wäre.

4.6 Luftpermeabilität und w/z-Wert Nachfolgend wird der Einfluss des w/z-Wertes bzw. w/zeq-Wertes auf die Luftpermeabilität diskutiert. Dies erfolgt im Wissen, dass die Luftpermeabilität nicht nur vom w/z-Wert sondern auch vom Bindemittel, der Nachbehandlung etc. bestimmt wird. In der SN EN 206-1 sind je-doch maximale w/z-Werte in Abhängigkeit von der Expositionsklasse festgelegt, d.h. es kann gemäss Norm davon ausgegangen werden, das Betone, u.a. mit den entsprechenden w/z-Werten und ausreichender Nachbehandlung, einen ausreichenden Widerstand (z.B. Dichtig-keit) gegenüber den Einwirkungen der entsprechenden Expositionsklassen aufweisen. Als Einwirkungen über das Porensystem des Betons können z.B. die Kohlendioxiddiffusion bei der Expositionsklasse XC und die kapillare Aufnahme von Wasser bzw. tausalzhaltigem Was-ser in der Expositionsklasse XD bzw. XF betrachtet werden. Beim Vergleich der Luftpermeabilitäten mit den Klassen von Tabelle 3 (S. 4) zeigt sich in Ab-hängigkeit von der Lagerungsfeuchte Folgendes (Abbildung D- 8):

• Bei einer Lagerungsfeuchte von 90 % sind alle, bis auf die beim Beton mit w/z = 0.40 gemessenen Luftpermeabilitäten, zu niedrig.

• Bei einer Lagerungsfeuchte von 70 % liegen bis auf den Beton mit PKZ (CEM II/A-LL), der zu zu hohen Luftpermeabilitäten verschoben ist, alle Betone dort, wo es zu erwarten war.

• Bei einer Lagerungsfeuchte von 50 % liegen im Alter von 90 Tagen alle Betone bis auf zwei dort, wo es erwartet wurde. Die Ausnahmen betreffen Beton mit PKZ (CEM II/A-LL), der eine zu hohe und Beton mit w/z = 0.60 der eine zu niedrige Luftpermea-bilität aufweist.


In Abbildung 51 sind eigene und aus der Literatur genommene Luftpermeabilitätsmesswerte sowie Gaspermeabilitätsdaten von Hunkeler et al. (2004) in Abhängigkeit vom w/z- bzw. w/zeq-Wert dargestellt. Insgesamt konnten nur von wenigen Autoren Labordaten eruiert werden. Es zeigt sich ein loser Zusammenhang zwischen den beiden Grössen, der sowohl für die eigenen als auch fremden Daten ähnlich ist. Die grün eingetragene, ausgezogene Linie stellt den Zu-sammenhang dar, der gemäss Tabelle 3 (S. 4) zu erwarten wäre.

• Die meisten Messwerte mit ausgefüllten Symbolen liegen oberhalb der grünen Linie. Die ausgefüllten Symbole geben an, dass abgezogene Flächen (keine Schalflächen) untersucht wurden. Von solchen Flächen ist bekannt, dass diese poröser als die Schalflächen sind. Es fällt auf, dass die Messwerte von "Torrent & Ebensperger 1993 1.5 a" zumeist oberhalb und die Messwerte von "Torrent & Ebensperger 1993 30 d" teilweise unterhalb der grün eingerahmten Bereiche liegen: Mit zunehmender Trock-nungsdauer nimmt die Luftpermeabilität zu. Ebenfalls ist die abdichtende Wirkung von saugenden Schalungseinlagen (Denarié 2004) erkennbar.

• Die Mehrzahl der Luftpermeabilitätsmessungen von Schalflächen liegt unterhalb der ausgezogenen grünen Linie.

• Die von Hunkeler et al. (2004) bestimmten Gaspermeabilitäten12 liegen nahe bei der grün ausgezogenen Linie;

Wird berücksichtigt, dass bei der Berechnung der Luftpermeabilität nicht die effektive, sondern die konstante Porosität von 15 % eingeht, ergäben sich ungefähr doppelt so hohe Luftperme-abilitäten (Abbildung 36, S. 36). Zum Vergleich des Zusammenhangs zwischen dem w/z-Wert und der Luftpermeabilität von Tabelle 3 (S. 4) mit den korrigierten (verdoppelten) Mess-werten der Luftpermeabilität ist die grün gestrichelte Linie eingetragen. Diese unterscheidet sich von der ausgezogenen nur dadurch, dass die Luftpermeabilität halbiert ist. Die grün ge-strichelte Linie stellt ungefähr den mittleren Zusammenhang der Messungen an Schalflächen dar. Die Messwerte von Mathur et al. (2005) sind zu tieferen Luftpermeabilitäten verschoben; es ist nicht klar, wie die Bedingungen während der 14tägigen Trocknung waren.

12 Proben wurden bei 20 °C und 70 % r.F. gelagert; vor den Gaspermeabilitätsmessungen mit Sauer-stoff wurden die Proben für 14 Tage bei 50 °C getrocknet.


0.001

0.01

0.1

1

10

100

0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

w/z-Wert [-]

Luftp

erm

eabi

lität

[10-1

6 m2 ]

Romer 2005b 60 d, 70 und 90 %

Romer 2005a 365 d, 90 %

Romer 2005a 28 d, 90 %

Romer 2005a 365 d, 70 %

Romer 2005a 28 d, 70 %

Kubens et al.28 d 65 %

Denarie 28 d

Denarie 28 d abgezogene Fläche

Torrent & F. 1995 ca. 30 d?

Torrent & E. 1993 ca. 1.5 a

Torrent & E. 1993 1.5 a abgezogeneFlTorrent 1993 30 d

Torrent & E. 1993 30 d abgezogene Fl

Torrent & E. 1993 50 %

Hunkeler et al. 90 d Gasperm

Hunkeler et al. 365 d Gasperm

eigene Messungen 50 % 90 d






Mathur 28 d 100 % + 14 T Trocknung

mit Schalungseinlage

Abbildung 51: Luftpermeabilität und w/z- bzw. w/zeq-Wert für Betone mit unterschiedlichen Alter und Lagerungsbedingungen; die rosafarbenen Linien bei Torrent (1993) geben die Zu-nahme der Luftpermeabilität mit zunehmender Lagerungsdauer (19, 68, 119 d) bei 50 % r.F. an; die ausgezogene grüne Linie stellt den Zusammenhang nach Jacobs (1999) dar, der bei gut nachbehandeltem Beton erreichbar ist; die gestrichelte grüne Linie weist im Unterschied zur ausgezogenen Linie 50 % niedrigere Luftpermeabilitäten auf (Korrektur der effektiven Po-rosität; vgl. Text).


4.7 Luftpermeabilität und Standardabweichung Die Streuung der Luftpermeabilitätswerte wird mit der Standardabweichung der logarithmier-ten Messwerte angegeben. In Abbildung 52 ist die Standardabweichung von Labormessun-gen in Abhängigkeit von der Luftpermeabilität dargestellt: Es zeigt sich keine Abhängigkeit. Bei den Laborversuchen der TFB (je 3 Messungen) lag die Standardabweichung im Mittel bei etwa 0.2 m2, bei den Messungen von Torrent & Frenzer (1995) (je 10 Messungen) im Mittel bei fast 0.3 m2, bei Kubens et al. (2005) bei drei Messungen pro Betonsorte bzw. Exposition im Mittel bei 0.2 m2 und beim RILEM-Versuch (je 6 - 9 Messungen) im Mittel bei 0.1 m2. Ge-samthaft zeigt sich somit, dass bei Laboruntersuchungen mit 3 - 10 Messungen pro Betonsor-te die maximale Standardabweichung in der Regel unterhalb von 0.40 m2 liegen sollte (Abbildung 52).

0.01

0.10

1.00

0.001 0.010 0.100 1.000 10.000 100.000


Stan

dard

abw

eich

ung

[m2 ]

Torrent 1995 ca. 30 d?; 10 M Kubens 28 d, 65 %; 3 MRILEM 60 d, 70 und 90 % r.F; 6 - 9 M TFB 28 - 365 d, 50 - 90 % r.F.; 3 MTFB 28 - 365 d, 70 % r.F. 5 und 30 °C; 3 M

Abbildung 52: Standardabweichung in Abhängigkeit von der Luftpermeabilität für Labormes-sungen; "M" bedeutet Anzahl Messungen pro Mittelwert; die blau punktierte Linie liegt bei einer Standardabweichung von 0.40.

Luftpermeabilität als Kenngrösse für die Betonqualität - Untersuchungen in der Praxis 52

5 Untersuchungen in der Praxis

5.1 Vorbemerkung Es wurden neu erstellte (< 5 Jahre) und ältere (17 - 36 Jahre) Bauwerke mit der Methode der Luftpermeabilität überprüft. Je nach Möglichkeit wurden neben der Luftpermeabilität auch weite-re Betoneigenschaften bestimmt bzw. waren bekannt. In Abschnitt 5.2 sind die Ergebnisse von 16 Neubauobjekten mit 58 untersuchten Bauteilen und in Abschnitt 5.3 von 19 älteren Bauwerken mit 32 untersuchten Bauteilen enthalten. Zusätzlich sind Bauwerke aus der Literatur erwähnt, die bei der Auswertung berücksichtigt wurden. In Anhang C befinden sich die Prüfberichte zu den untersuchten Objekten mit Angaben zur Ex-position des Bauteils, der Luftpermeabilität, der Betonfeuchte und weiteren Betoneigenschaften. Bei den angegebenen mittleren Luftpermeabilitäten handelt es sich, soweit nicht anders er-wähnt,

• um das geometrische Mittel, berechnet ohne Extremwerte. • um die Messwerte gemäss Messgerät, d.h. berechnet mit einer Porosität von 15 Vol.-%

(siehe Abschnitt 4.2.1 auf S. 35ff). Nachfolgend wird auch der Einfluss des w/z-Wertes bzw. w/zeq-Wertes auf die Luftpermeabilität diskutiert. Dies erfolgt im Wissen, dass die Luftpermeabilität nicht nur vom w/z-Wert sondern auch vom Bindemittel, der Nachbehandlung etc. bestimmt wird. In der SN EN 206-1 sind jedoch maximale w/z-Werte in Abhängigkeit von der Expositionsklasse festgelegt, d.h. es kann gemäss Norm davon ausgegangen werden, das Betone, u.a. mit den entsprechenden w/z-Werten und ausreichender Nachbehandlung, einen ausreichenden Widerstand (z.B. Dichtigkeit) gegenüber den Einwirkungen der entsprechenden Expositionsklassen aufweisen. Als Einwirkungen über das Porensystem des Betons können z.B. die Kohlendioxiddiffusion bei der Expositionsklasse XC und die kapillare Aufnahme von Wasser bzw. tausalzhaltigem Wasser in den Expositions-klassen XD und XF betrachtet werden. Ein Vorschlag zur Beurteilung der Luftpermeabilitätsmesswerte ist in Abschnitt 6 "Folgerungen" ab Seite 75ff und im Anhang B enthalten.


5.2 Ergebnisse der Neubauten

5.2.1 Untersuchte Bauwerke In Tabelle 11 sind alle untersuchten Neubauobjekte (Alter bis 5 Jahre) aufgeführt. Zu wenigen Bauwerken lagen Informationen aus der Literatur vor und wurden bei der Auswertung ebenfalls verwendet.

Tabelle 11: Zusammenstellung der untersuchten Neubauobjekte mit Angabe der untersuchten Bauteile gemäss Anhang C; ZS: Zusatzstoff; die Werte in Klammer in der Spalte "Anzahl Mes-sungen" geben die Anzahl Extremwerte an.

Neubau Bauteil Alter [Monate]

Anzahl Messungen (Extremwert)

Bemerkung

Brücke 1 Hohlkasten: Wand, Fahr-bahnuntersicht, Boden

6 4 (0) 6 (0) 4(1)

w/z = 0.44

Brücke 2 Fahrbahnplattenunter-sicht

6 8 (1) w/z = 0.43

Brücke 3 Widerlagerwand: Innen-, Aussenseite von Wand

9 6 (0) 5 (0)

mit / ohne Anti-graffittischutz

Brücke 4 Pfeiler: Wand 0 - 1 m, 1 - 3.4 m

6 9 (0) 9 (0)

w/z = 0.42 - 0.43

Brücke 5 Leitmauer: verschiedene Elemente

1 - 8 3 (0), 3 (0), 3 (0), 4 (1)

w/z = 0.45 - 0.61 mit ZS

Hochbau 1 Innenseite Aussenwand, Innenwand

5 - 6 20 (2) 21 (2)

w/z = 0.48 w/z ≈ 0.65 - 0.70

Hochbau 2 Wand, Decke

6 - 7 9 (3) 16 (5)

w/z = 0.56 w/z = 0.60

Hochbau 3 2 Wandabschnitte 4 - 5 7 (0) 8 (0)

w/z = 0.50

Hochbau 4 Wand 60 9 (1) w/z ≈ 0.62 Stadion 1 Stütze,

2 Wände 10, 13 30 (0)

15 (0), 20 (0) w/z = 0.52, w/z ≈ 0.50

Tunnel 1 Wand: 10 Versuchsplat-ten

36 je 3 (0) w/z = 0.35, 0.50, z.T. hydropho-biert, z.T. mit ZS

Tunnel 2 Wand 13 12 (0) w/z = 0.45 Tunnel 3 4 Wandetappen 1 4 (1), 3 (0), 4 (0), 3

(0) w/z = 0.48 mit ZS

Tunnel 4 5 Wandabschnitte 0.5 - 21 je 3 - 4 (0) w/z ≈ 0.48 - 0.50 Tunnel 5 2 Wandabschnitte 0.5 - 21 4 (0), 4 (0) w/z ≈ 0.48 - 0.50 Tunnel 6 5 Wandabschnitte 5 - 24 dreimal: 6 (0)

zweimal: 6 (1) w/z = 0.45 - 0.48

Brücke SH* Pylon, Fahrbahnplatte 1 - 5 24 (0), 10 (0) w/z = 0.44 - 0.46 Pylon mit ZS

Tunnel Bözberg*

Fahrbahnplatte 1 - 5 6 (0) w/z = 0.45

Stadion München**

Stützen 1 je 3 (0) w/z = 0.45, 0.50

* Torrent & Frenzer (1995); es liegen keine Angaben zu Luft- oder Bauteiltemperaturen vor. ** Kubens et al. (2005); es liegen keine Angaben zu Luft- oder Bauteiltemperaturen vor.


5.2.2 Luftpermeabilität und Standardabweichung Pro Bauteil wurden 3 - 30 Luftpermeabilitätsmessungen vorgenommen (Tabelle 11). Die Luft-permeabilitäten der Bauteile lagen zumeist zwischen ca. 0.02 und 2⋅10-16 m2 (Abbildung 53). Die von Torrent & Frenzer (1995) gemessenen Luftpermeabilitäten (Brü SH, Tu) liegen unge-fähr dort, wo sie auf Grund der eigenen Messungen erwartet werden können. Beim Stadion München (Kubens et al. 2005, Stadion M) wurden überwiegend sehr niedrigere Luftpermeabili-täten gemessen, was sich mit hohen Betonfeuchten bei diesem jungen Betonalter erklären lies-se, jedoch nicht so aus den Ergebnissen zum spezifischen elektrischen Widerstand hervorgeht. Die ungewöhnlich hohen Messwerte beim spezifischen elektrischen Widerstand (Abbildung 57 auf S. 57) weisen jedoch auf mögliche Schwierigkeiten bei der Bestimmung hin.

0.001

0.01

0.1

1

10

W F B D I AW

0-1

W 1

-3.4 44 6 20 12 S

W1

W2 A I D W W1

W2 W a1 a2 d1 d3 e1 f1 f3 g1 h1 h3 W 48 44 45 44 151

110

109 64 33 317

314 40

1000

1995

2598

3200

Pyl

on

Fahr

bahn

plat

teFa

hrba

hnpl

atte

C35

/45

nbC

35/4

5 C

45/5

5 nb

C45

/55

C30

/37

nbC

30/3

7

Brücke1

B2

Brü3

Br4

Brücke5, z.T.mit ZS

Stad Ho1

Ho2

Ho3

Ho4

Tunnel 1 Tu2

Tunnel3 mitZS

Tunnel 4 Tun5

Tunnel 6 BrüSH

Tu Stadion M

Luftp

erm

eabi

lität

[10-1

6 m2 ]

Abbildung 53: Mittlere Luftpermeabilität der untersuchten Bauteile.

In Abbildung 54 ist die Luftpermeabilität gegen die Standardabweichung aufgetragen. Im obe-ren Bild sind alle Messwerte bei der Berechnung der Standardabweichung berücksichtigt: Die Standardabweichung liegt dort für alle Messwerte im Mittel bei 0.43 m2, die kleinsten 25 % bzw. 75 % der Werte sind ≤ 0.21 m2 bzw. ≤ 0.62 m2. Werden Extremwerte bei der Berechnung der Standardabweichung nicht berücksichtigt (siehe Anhang B zur Bestimmung13 und Messproto-kolle im Anhang C), was bei 10 von 58 Bauteilen zumeist je einmal der Fall war (Tabelle 11), liegt die Standardabweichung im Mittel bei 0.34 m2 und die 25 %- bzw. 75 %-Quartile bei 0.20 m2 bzw. 0.48 m2. Bei der Innenschale des Tunnels 6, die über etwa zwei Jahre hergestellt wurde (Betonalter 5 - 29 Monate bei Untersuchung), ergab sich über alle untersuchten Bauteile bei den Luftpermeabi-litätsmessungen (ohne Extremwerte) eine Standardabweichung von 0.43. Folglich kann erwartet werden, dass bei homogenen Bauteilen in der Regel eine Standardab-weichung von maximal 0.4 eingehalten werden kann.

13 Bei den hier durchgeführten Untersuchungen wurden Extremwerte auch durch folgendes Kriterium identifiziert: Extremwert > 5 x geometrisches Mittel aller Messwerte


0.001

0.01

0.1

1

10

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

Standardabweichung [-]

Luftp

erm

eabi

lität

[10-1

6 m2 ]

Brücke 1 B 2Brü 3 Br 4Brücke 5, z.T. mit ZS StadHo 1 Ho 2Ho 3 Tunnel 1Tu 2 Tunnel 3 mit ZSTunnel 4 Tun 5Tunnel 6 Torrent & FrenzerKubens

0.001

0.01

0.1

1

10

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

Standardabweichung [-]

Luftp

erm

eabi

lität

[10-1

6 m2 ]

Abbildung 54: Mittlere Luftpermeabilität und Standardabweichung der untersuchten Bau-teile

oben: alle Messwerte be-rücksichtigt unten: ohne Extremwerte.

Leemann et al. (2006) bestimmten beim Betonalter von einem Monat die Gaspermeabilität an Bohrkernen, die aus einem neu erstellten Bauwerk entnommen wurden. An vier Bauteilen wur-den je 20 Untersuchungsstellen festgelegt und dort je drei Bohrkerne (d = 68 mm, l = 25 mm) entnommen. Der Variationskoeffizient bei der Gaspermeabilität variierte pro Untersuchungsstel-le zwischen 0.2 und 15 %. Bei den hier untersuchten Bauteilen lag der Variationskoeffizient im Mittel bei 2.5 % (mit Extremwerten) und 2.1 % (ohne Extremwerte) und im Maximum bei 6.9 %. Somit führt bei den hier betrachteten Daten die Bestimmung der Luftpermeabilität vor Ort zu keiner grösseren Streuung als die Bestimmung der Gaspermeabilität an aus dem Bauwerk ent-nommenen Bohrkernen. Leemann et al. (2006) bestimmten ebenfalls an Bohrkernen die Druck-festigkeit und die Chloridleitfähigkeit. Bei beiden Eigenschaften lagen die Variationskoeffizien-ten zwischen 1.2 und 27.3 %. Jedoch können die Variationskoeffizienten der verschiedenen Messmethoden nicht einfach verglichen werden, da u.a. die Differenz zwischen den maximalen und minimalen Messwerten sehr verschieden ist.

5.2.3 Luftpermeabilität in Abhängigkeit von der Lage des Messortes An Wänden und Stützen wurde der Einfluss der Höhe (Abstand) ab Boden auf die Luftpermea-bilität untersucht. Bei manchen Bauteilen wurde eine klare Abnahme der Luftpermeabilität mit zunehmender Höhe gefunden (Abbildung 55).


0.01

0.1

1

10

1: 1 m 2: 2.5 m 3: 3.5 m geom. MW

Luftp

erm

eabi

lität

[10-1

6 m2 ]

0.5 m

1 m

2 m

3m

4.1 + 1.5 m

4.1 + 0.5 m

Höhe ab Wandfuss

Seite A

Abbildung 55: Luft-permeabilitäts-messwerte und geometrischer Mittelwert pro Hö-he (ab 4.1 m Höhe verbreitert sich Stütze) in Abhän-gigkeit vom hori-zontalen Abstand (von einer Kante) und vom Boden auf einer Seite der Stütze von Stadion 1.

Bei Wänden im gleichen Bauwerk (Stadion 1) wurde demgegenüber kein Zusammenhang zwi-schen der Höhe des Messortes und der Luftpermeabilität gefunden (Abbildung 56).

0.1

1

10

100

A: 0.5 m B: 5 m C: 8 m geom. Mittelwert

Profil: Abstand ab Aussenkante

Luftp

erm

eabi

lität

[10-1

6 m2 ]

2.3 m1.9 m1.5 m1 m0.5 m0.3 m

Höhe ab Boden:

Abbildung 56: Luftper-meabilitätsmesswerte und geometrischer Mit-telwert pro Höhe in Abhängigkeit vom hori-zontalen Abstand (von der Aussenkante) und vom Boden auf einer Seite einer Wand von Stadion 1.

Bei weiteren untersuchten Bauteilen bestätigten sich die o.g. Beobachtungen; d.h. nur bei man-chen Bauteilen ist ein Einfluss der Höhe des Messpunktes auf die Luftpermeabilität feststellbar. Bungey & Millard (1996) werteten verschiedene Berichte mit zerstörungsfreien Prüfungen aus und fanden in der Regel mit zunehmendem Abstand vom Boden eine Abnahme der aus zerstö-rungsfreien Prüfungen geschätzten Festigkeit. Mögliche Ursachen für eine Änderung der Betonqualität mit der Höhe ab Boden können sein:

• Entmischung des Betons beim Einfüllen • Ungenügende Verdichtung des Betons, insbesondere im unteren Bereich von Wänden

oder bei zu hohen Schütthöhen des Betons beim Einfüllen in die Schalung • Probleme beim Verdichten des Betons wegen schlechter Zugänglichkeit durch z.B.

Bewehrung, Schalungsform • zusätzliche Verdichtung des Betons durch das Eigengewicht des Betons


5.2.4 Einfluss der Betonfeuchte sowie der Lufttemperatur Zwischen der Luftpermeabilität und dem spezifischen elektrischen Widerstand oder der kapazi-tiv bestimmten Betonfeuchte14 zeigte sich ein loser Zusammenhang (Abbildung 57). Die ge-ringsten Luftpermeabilitäten wurden bei spezifischen elektrischen Widerständen < 20 kΩcm oder Betonfeuchten > 6 M.-% bestimmt, was auf den bekannten, alles andere überlagernden Einfluss der Wassersättigung hinweist (vgl. Abbildung 18 auf S. 20). Zwischen Beton mit und ohne reaktive Zusatzstoffe zeigen sich keine klaren Unterschiede. Ein wesentlicher Grund hier-für liegt darin, dass verschiedene Bauteile mit verschiedenen Wassergehalten verglichen wer-den und somit die unterschiedlichen Feuchten den Einfluss reaktiver Zusatzstoffe überdecken können. Werden Betonbauteile mit und ohne reaktiven Zusatzstoffen bei identischer Exposition verglichen (z.B. Tunnel 1), zeigen sich die gemäss Abschnitt 4.3.1 (S. 43ff) zu erwartenden Un-terschiede von etwa dem Faktor 2 beim spezifischen elektrischen Widerstand.

0.001

0.01

0.1

1

10

1 10 100 1000


Luftp

erm

eabi

lität

[10-1

6 m2 ]

ohne reaktive Zusatzstoffemit FA, HS oder SShydrophobiertTorrent & FrenzerKubens

Abbildung 57: Mittlere Luft-permeabilität (ohne Ex-tremwerte) der untersuch-ten Bauteile in Abhängig-keit vom spezifischen elekt-rischen Widerstand (oben) und der unten: kapazitiv bestimmten Betonfeuchte (unten).

0.001

0.01

0.1

1

10

3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7

kapazitiv bestimmte Betonfeuchte [M.-%]

Luftp

erm

eabi

lität

[10-1

6 m2 ]

ohne reaktive Zusatzstoffe

Bei den zwei untersuchten hydrophobierten Betonen konnte der spezifische elektrische Wider-stand nicht bestimmt werden; deshalb wurde bei diesen Betonen für den spezifischen elektri-schen Widerstand ein Wert von 999 kΩcm eingesetzt. Die Daten von Torrent & Frenzer (1995) passen gut in das Bild, die Daten von Kubens et al. (2005) fallen insofern auf, dass bei sehr ähnlichem Beton (siehe Anhang C) und im gleichen Alter einmal spezifische elektrische Wider-

14 Die kapazitive Bestimmung der Betonfeuchte erfolgte nur an Betonen ohne reaktive Zusatzstoffe, da das Messgerät erst später zur Verfügung stand. Die kapazitiv bestimmte Betonfeuchte liegt zumeist zwi-schen 4 und 6 M.-%; diese Werte sind plausibel wie die Überlegungen zu Abbildung D- 1 zeigen.


stände von 10 -15 kΩcm und einmal von 999 kΩcm gemessen wurden. Dies könnte auf Prob-leme bei der Messung des spezifischen elektrischen Widerstandes hindeuten. Zwischen der Lufttemperatur und der gemessenen Luftpermeabilität zeigt sich kein Zusammen-hang (Abbildung 58), d.h. der Einfluss der Temperatur ist im Rahmen der übrigen Einflüsse und Streuungen nicht erkennbar. Ob die Luft- bzw. Bauteiltemperatur einen Einfluss auf die Luftpermeabilität hat, wäre durch Messungen an einem Bauteil bei verschiedenen Temperatu-ren und zu verschiedenen Zeitpunkten zu bestimmen. Solche Messungen wurden jedoch nicht vorgenommen. Da sich gemäss den Ergebnissen von Laboruntersuchungen (Tabelle 10 auf S. 39) die zwischen 5 und 20 °C gemessene Luftpermeabilität um im Mittel nur 15 bis 30 % unter-scheidet und auch bei den Praxismessungen keine Hinweise auf grössere temperaturbedingte Änderungen zum Vorschein kamen, wurde auf eine temperaturbedingte Korrektur der Messwer-te im Rahmen dieses Berichts verzichtet.

0.001

0.01

0.1

1

10

0 5 10 15 20 25 30


Luftp

erm

eabi

lität

[10-1

6 m2 ]

Abbildung 58: Mittlere Luftpermeabilität (ohne Extremwerte) der untersuchten Bauteile in Ab-hängigkeit von der Lufttemperatur.


Der spezifische elektrische Widerstand nahm mit abnehmender Temperatur tendenziell zu (Abbildung 59). Dies entspricht durchaus den Erwartungen (siehe 3.3.2.4 auf S. 27 ff). Ein en-ger Zusammenhang kann nicht erwartet werden, da u.a. die Betonzusammensetzung und die Betonfeuchte unterschiedlich sind. Es zeigt sich kein Einfluss der vorhandenen Lufttemperatur auf die kapazitiv bestimmte Betonfeuchte (Abbildung 59). Daraus kann gefolgert werden, dass die Lufttemperatur keinen, alles andere überragenden Einfluss bei der Bestimmung der Beton-feuchte darstellt.

y = -101.04Ln(x) + 351.34R2 = 0.0696

2

3

4

5

6

7

8

0 5 10 15 20 25 30


kapa

zitiv

bes

timm

te B

eton

feuc

hte

[M.-%

]

1

10

100

1000

spez

. ele

ktr.

Wid

erst

and

[kΩ

cm]

BetonfeuchteWiderstandLogarithmisch (Widerstand)

Abbildung 59: Kapazitiv bestimmte Betonfeuchte und spezifischer elektrischer Widerstand der untersuchten Bauteile in Abhängigkeit von der Lufttemperatur.


5.2.5 Luftpermeabilität und w/z-Wert Zu den untersuchten Bauteilen lagen von Frischbetonkontrollen Angaben zum w/z-Wert vor. In Abbildung 60 sind die Luftpermeabilitäten gegen den w/z- bzw. w/z-eq -Wert, aufgeschlüsselt nach Bauwerk, aufgetragen. Auffallend ist die grosse Streuung bei gleichem w/z-Wert. Werden nur Betone ohne reaktive Zusatzstoffe betrachtet (Abbildung D- 10), ergibt sich kein engerer Zusammenhang. Betone mit Luftporenbildner, die bei verschiedenen Bauwerken (Brücke 1, Brücke 2, Tunnel 4 - 6) verwendet wurden, führen zu keinen Auffälligkeiten, d.h. es liegen auf Grund der wenigen Ergebnisse keine Hinweise vor, dass Luftporenbildner die Luftpermeabilität beeinflussen. Dies wäre konform mit Ergebnissen von Jacobs (1994), wo Luftgehalte bis 10 Vol.-% die Gaspermeabilität nicht beeinflussen. Bei den Bauwerken "Hochbau 1", "Hochbau 3", "Stadion 1" wurde Portlandkalksteinzement verwendet. Die Luftpermeabilitäten liegen öfter über der "gelben Linie" als darunter. Mit diesen Ergebnissen kann jedoch die Aussage der La-borversuche (Abbildung 37 auf S. 36), dass die Verwendung von Portlandzement im Beton die Luftpermeabilität erhöht, weder bestätigt noch widerlegt werden. Die Luftpermeabilitätsmess-werte liegen in einem Band, welches bei hohen w/z-Werten eher flach und mit abnehmenden w/z-Wert steiler verläuft. Der mittlere Zusammenhang ist durch die gelbe Linie markiert, deren mathematische Beschreibung sich in der Legende befindet. Diese Linie entspricht ungefähr dem Zusammenhang zwischen w/z-Wert und maximaler Luftpermeabilität von Laboruntersu-chungen (grüne, ausgezogene Linie in Abbildung 51 auf S. 50). D.h. die Luftpermeabilität von Beton für Neubauten ist ähnlich wie die von Laborbeton mit gleichem w/z-Wert. Messpunkte, die von einem sehr feuchten Beton stammen (rote Symbole; spezifischer elektrischer Wider-stand < 20 kΩcm) fallen nur teilweise aus dem Band heraus, da durch Wasserverdunstung aus dem Beton eine höhere Luftpermeabilität vorgetäuscht wird (siehe Abschnitt 3.2.3 auf S. 13ff). Messwerte, die bei Lufttemperaturen < 4 °C ermittelt wurden, ergaben zu geringe Luftpermeabi-litäten im Vergleich zum Band. Beim Hochbau 3 wurde Eis am Boden beobachtet, was auch auf eine geringe Betontemperatur hinweist.

0.001

0.01

0.1

1

10

0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

w/z-, w/zeq-Wert [-]

Luftp

erm

eabi

lität

[10-1

6 m2 ]

Brücke 1: 4 - 5 °C

Brücke 2: 4 - 5 °C

Brücke 3 (g): 4 - 5 °C

Brücke 4

Brücke 5 mit ZS

Stadion 1

Hochbau 1

Hochbau 2 (g)

Hochbau 3: 3 - 4 °C

Hochbau 4

Tunnel 1

Tunnel 1 mit ZS

Tunnel 2

Tunnel 3

Tunnel 4

Tunnel 5

Tunnel 6

Torrent & Frenzer

Kubens

4.6*w/z^2-1.8*w/z+0.04 Abbildung 60: Luftpermeabilität und w/z-Werte der untersuchten Objekte; rot markiert sind die Objekte mit einem Widerstand < 20 kΩcm; (g): w/z aus fc geschätzt; Angabe der Lufttemperatur in der Legende, wenn diese < 5 °C war; die gestrichelten Linien grenzen ungefähr den Bereich ein, der für Temperaturen > 4 - 5 °C gilt; die gelbe Linie stellt den mittleren Zusammenhang dar.


Die relativ grosse Streuung der Luftpermeabilität bei gleichen w/z-Werten verdeutlicht die be-kannte Tatsache (z.B. Jacobs 1994, 1999), dass der w/z- bzw. w/zeq-Wert die Luftpermeabilität nicht alleine bestimmt. Ursachen dafür sind u.a.:

• unterschiedliche Betondichtheit in Abhängigkeit vom Zement und Zusatzstoff • unterschiedliche Erhärtungstemperaturen • Einfluss der Nachbehandlung • Ungenauigkeit in der Bestimmung des w/z-Wertes (ca. ± 0.02) • Betoninhomogenitäten

Abbildung 61 enthält die Darstellung der Messwerte und den mittleren Zusammenhang (gelbe ausgezogene Linie) von Abbildung 60. Zusätzlich sind zwei gestrichelte Linie eingetragen: Es handelt sich bei der rot gestrichelten Linie um den mittleren Zusammenhang zwischen dem w/z-Wert und der Gaspermeabilität nach CEB (1991) (k = 10-(19-5*w/z)) sowie bei der grau gestrichel-ten Linie um den, der bei guter Nachbehandlung unterschritten werden kann (Tabelle 3 auf S. 4). Die Mehrzahl der Messwerte und der mittlere Zusammenhang von Abbildung 60 liegen unterhalb den gestrichelten Linien.

0.001

0.01

0.1

1

10

Luftp

erm

eabi

lität

[10-1

6 m2 ]

Abbildung 61: oben: Luftpermeabili-tät und w/z-Werte der un-tersuchten Objekte; zu-sätzlich sind Kurven aus der Literatur (siehe Text) und von Abbildung 60 eingetragen.

0.001

0.01

0.1

1

10

0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8w/z-, w/zeq-Wert [-]

Luftp

erm

eabi

lität

[10-1

6 m2 ]

Brücke 1: 4 - 5 °C Brücke 2: 4 - 5 °C Brücke 3 (g): 4 - 5 °C Brücke 4Brücke 5 mit ZS Stadion 1 Hochbau 1 Hochbau 2 (g)Hochbau 3: 3 - 4 °C Hochbau 4 Tunnel 1 Tunnel 1 mit ZSTunnel 2 Tunnel 3 Tunnel 4 Tunnel 5Tunnel 6 Torrent & Frenzer Kubens CEB Model Code 1990Jacobs 1999

unten: Darstellung wie oben, je-doch sind alle Luftpermeabili-täten verdop-pelt; Erklärung siehe Text; (g): w/z ge-schätzt; Angabe der Lufttemperatur falls ≤ 5 °C.


In den Laboruntersuchungen (Abschnitt 4.2.1 auf S. 35) zeigte sich, dass die bei der Berech-nung der Luftpermeabilität verwendete konstante Porosität von 15 Vol.-% für die hier untersuch-ten Betone nicht korrekt ist und folglich die berechneten Luftpermeabilitäten ungefähr der Hälfte der tatsächlichen Luftpermeabilität entsprechen. In Abbildung 61, unten, sind deshalb die Luft-permeabilitäten im Vergleich zur Abbildung 61, oben, verdoppelt. Dadurch ergibt sich eine scheinbar schlechtere Übereinstimmung zwischen den Luftpermeabilitäten und den Zusam-menhängen von CEB (1991) oder Jacobs (1999). Analysiert man die Daten genauer, zeigt sich, dass viele der Messpunkte (vgl. Prüfberichte in Anhang C) über den Linien Besonderheiten wie Folgendes aufweisen:

• Lufttemperatur ≤ 5 °C: Brücke 1, 2, 3 • Verwendung von reaktiven Zusatzstoffen: Brücke 5, Tunnel 1, • hohe Betonfeuchte (< 20 kΩcm): rote Symbole

Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass die Zusammenhänge zwischen der Gas-permeabilität und dem w/z- bzw. w/zeq-Wert von CEB (1991) und Jacobs (1999) auch zur Beur-teilung der Luftpermeabilität brauchbar sein könnten, wenn die Temperatur nicht zu niedrig (< 5 °C) und die Betonfeuchte (spez. elektr. Widerstand > 15 - 20 kΩcm) nicht zu hoch sind. Jedoch bedarf es weiterer Messungen, u.a. auch an Betonen mit reaktiven Zusatzstoffen, um deren Anwendbarkeit abschliessend zu klären.

5.2.6 Luftpermeabilität und Oberflächenbehandlung Nur bei zwei Objekten konnte der Einfluss einer Oberflächenbehandlung auf die Luftpermeabili-tät geprüft werden. Dabei handelte es sich um eine Hydrophobierung und eine Antigraffitibe-schichtung. Bei einer Hydrophobierung handelt es sich um eine Imprägnierung, die Poren und Kapillaren auskleidet, jedoch nicht füllt und zu einer Wasser abweisenden Betonoberfläche führt. Dadurch wird das Austrocknen verstärkt. Zwei Einflüsse der Hydrophobierung auf die Luftpermeabilität sind denkbar:

• (sehr) leichte Reduktion der Luftpermeabilität durch den Auftrag der Imprägnierung (Porenverengung)

• Erhöhung der Luftpermeabilität durch die stärkere Austrocknung des Betons. Bei einer Antigraffitibeschichtung sind ebenfalls beide Einflüsse denkbar, sofern diese auch hydrophobierend wirkt. Bei Tunnel 1 wurden mehrere Flächen mit einem identischen Beton hergestellt. Auf einem Teil dieser Flächen wurde eine Hydrophobierung aufgetragen; dies hatte keinen signifikanten Ein-fluss auf die mittlere Luftpermeabilität, jedoch war die Streuung der Luftpermeabilität der nicht hydrophobierten Flächen stärker (Abbildung 62). Die gering höhere Luftpermeabilität bei den hydrophobierten Flächen kann durch eine stärkere Trocknung (geringere Feuchte) des Betons erklärt werden. Da der spezifische elektrische Widerstand mit der Wennersonde auf der Beton-oberfläche wegen der Hydrophobierung nicht bestimmt werden konnte (kein ausreichender elektrischer Kontakt), kann die stärkere Austrocknung durch die Hydrophobierung nicht mit ei-genen Messungen belegt werden. Jedoch bestimmte Ungricht (2004) mit speziellen Sonden den spezifischen elektrischen Widerstand im Beton in verschiedenen Tiefen und konnte die unterschiedliche Austrocknung bestätigen. Bei einer Widerlagerwand einer Brücke wurde die Aussenseite mit einer Antigraffitibeschichtung versehen. Die an der Aussenseite gemessene Luftpermeabilität lag etwa 10fach über dem Wert, der auf der unbeschichteten Innenseite gemessen wurde. Ob die Antigraffitibeschichtung einen Einfluss auf die Luftpermeabilität hat, kann nicht beurteilt werden. Die Innenseite wies einen höheren Wassergehalt (geringere Austrocknung) als die Aussenseite auf (5.4 statt 5.0 M.-%). Diese Unterschiede in der Austrocknung können einen Teil des Unterschieds erklären. Zu-sätzlich müssen weitere Effekte eine Rolle spielen. Zum Unterschied könnte z.B. zusätzlich eine unterschiedliche Nachbehandlung der Innen- und Aussenfläche und/oder ein unterschiedlich stark saugendes Schalungsmaterial beigetragen haben.


0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

a1 a2 h1 h3 I ohne AG A mit AG

Tunnel 1 hydrophobiert Tunnel 1 nicht hydrophobiert Brücke 3

Luftp

erm

eabi

lität

[10-1

6 m2 ]

Abbildung 62: Mittlere Luftper-meabilität mit Bereich +/- 1 Standardabwei-chung in Abhän-gigkeit von einer Hydrophobierung und einer Anti-graffitibeschich-tung (AG) (I: In-nen: ohne AG; A: Aussen: mit AG).


5.2.7 Luftpermeabilität und andere Betoneigenschaften Zwischen der 28 Tage-Würfeldruckfestigkeit und der Luftpermeabilität, gemessen nach mehre-ren Monaten, ergab sich ein loser Zusammenhang (Abbildung 63). Der Einfluss des Alters bei der Luftpermeabilität (Tabelle 11 auf S. 53) wurde nicht berücksichtigt. Der lose Zusammen-hang ist auch aus früheren Untersuchungen (z.B. Jacobs 1999) bekannt und kann darauf zu-rückgeführt werden, dass einerseits die Druckfestigkeit an Würfeln mit einem Volumen von 1503 mm3 und die Luftpermeabilität an den äussersten 1 - 2 cm des Bauteils bestimmt werden und andererseits, dass beide Betoneigenschaften nicht im gleichen Masse von der Porengrössen-verteilung abhängen. Die Wertepaare von Torrent & Frenzer (1995) liegen in dem Bereich der eigenen Untersuchungen, diejenigen von Kubens et al. (2005) fallen teilweise heraus (niedrige-re Luftpermeabilität), was durch die hohe Betonfeuchte oder Probleme bei der Messung verur-sacht worden sein könnte. Der von Bakhshi et al. (2006) ermittelte Zusammenhang zwischen der nach 2.5 Jahren gemessenen Gaspermeabilität (Lagerung während der letzten 18 Monate bei 65 % r.F.) und der 28-Tage-Würfeldruckfestigkeit liegt an der oberen Grenze des Streube-reichs. Würde die effektive Porosität bei der Berechnung der Luftpermeabilität zu Grunde gelegt werden, würden sich die Luftpermeabilitäten etwa um den Faktor 2 erhöhen. D.h. dann würden die eigenen Daten mit dem Zusammenhang von Bakhshi et al. (2006) besser übereinstimmen. Wird zusätzlich berücksichtigt, dass die Betonproben von Bakhshi et al. (2006) durch die Lage-rung bei 65 % r.F. stärker ausgetrocknet waren, also höhere Gaspermeabilitäten aufweisen, würde der Zusammenhang weiter in Richtung Mitte des Streubereichs verschoben werden.

0.001

0.01

0.1

1

10

100

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

28-Tage-Würfeldruckfestigkeit [N/mm2]

Luftp

erm

eabi

lität

[10-1

6 m2 ]

ohne reaktive Zusatzstoffemit FA, HS oder SShydrophobiertTorrent & FrenzerKubensBakhshi et al.

kG = 37.86e(-0.059fc)

Abbildung 63: Mittlere Luftpermeabilität (ohne Extremwerte) in Abhängigkeit von der 28-Tage-Würfeldruckfestigkeit; zusätzlich ist der von Bakhshi et al. (2006) ermittelte Zusammenhang zwischen der Gaspermeabilität und der Würfeldruckfestigkeit eingetragen.


Zwischen der füllbaren Porosität (siehe Angaben auf Prüfberichten in Anhang D) und der Luft-permeabilität ergab sich kein Zusammenhang, jedoch erwartungsgemäss zwischen der Was-serleitfähigkeit und der Luftpermeabilität (Abbildung 64). Der nicht vorhandene Zusammen-hang zwischen der füllbaren Porosität und der Luftpermeabilität kann dadurch erklärt werden, dass die Poren über einen grossen Bereich (ca. 0.01 - 100 µm) streuen und deren summari-scher Wert nicht angibt, wie viele Poren vorhanden sind, die das für die Luftpermeabilität und das kapillare Saugen relevante durchgehende Porensystem bilden. Der in Abbildung 64 dar-gestellte und mit allen Daten (Brücke 4, Tunnel 1 - 3) ermittelte Zusammenhang stimmt mit demjenigen von Hunkeler et al. (2002), der im Labor im Betonalter von 1 Jahr die Gas- und nicht die Luftpermeabilität sowie die Wasserleitfähigkeit ermittelte, relativ gut überein.

y = 6.4257x0.1814

R2 = 0.7613

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0.001 0.01 0.1 1 10


Was

serle

itfäh

igke

it [g

/m2 h]

Brücke 4

Tunnel 1

Tunnel 1 mit ZS

Tunnel 2

Tunnel 3 mit ZS

Hunkeler et al., 1 Jahr

Abbildung 64: Mittlere Luft-permeabilität (ohne Extrem-werte) in Ab-hängigkeit von der Wasserleit-fähigkeit; die Trendlinie be-ruht auf den Daten von Brü-cke 4 und Tun-nel 1 - 3; zu-sätzlich sind Daten von Hun-keler et al. (2002) zur Gas-permeabilität eingetragen.


5.3 Ergebnisse der älteren Bauwerke

5.3.1 Untersuchte Bauwerke In Tabelle 12 sind die untersuchten älteren Bauwerke (Alter 17 - 36 Jahre) aufgeführt. Nur zu wenigen der untersuchten Bauwerke lagen Angaben zur Betonzusammensetzung (w/z-Wert, Bindemittel, etc.). Auf Grund dieser wenigen Angaben und der früheren Baupraxis wird vermu-tet, dass wahrscheinlich ausschliesslich Portlandzement als Bindemittel verwendet wurde. Zu weiteren Objekten liegen Informationen aus der Literatur vor und wurden bei der Auswertung berücksichtigt.

Tabelle 12: Zusammenstellung der untersuchten älteren Bauwerke; die Werte in Klammer in der Spalte "Anzahl Messungen" geben die Anzahl Extremwerte an.

Altbau Bauteil Alter [Jahre]

Anzahl Messungen (Extremwerte)

Bemerkung

Stützwand 10 3 Wandelemente ≈ 30 je 6 (je 1 - 3) w/z ≈. 0.45 Brücke 10 2 Widerlagerwände ≈ 36 14

7 w/z ≈ 0.50 w/z ≈ 0.50 - 0.55

Brücken 11 12 Stützen ≈ 32 - 34 je 6 (bei 3: 1 - 2) w/z ≈ 0.43 - 0.62 Brücke 12 3 Pfeiler ≈ 25 5 (0), 5 (2), 3 (0) w/z ≈ 0.44 - 0.45 Brücke 13 Wand,

Fahrbahnplattenun-tersicht

≈ 30 5 (0) 5 (0)

w/z ≈ 0.60 w/z ≈ 0.80

Tunnel 10 4 Wandetappen ≈ 26 je 3 (0) w/z ≈ 0.45 Tunnel 11 3 Deckenetappen ≈ 17 3 - 5 (0) w/z ≈ 0,50

w/z ≈ 0.60 Hochbau 10 3 Decken ≈ 22 2 - 5 (0) w/z ≈ 0.60 - 0.65**

z.T. mit FarbanstrichBrücke Oensin-gen*

Unterseite Fahr-bahnplatte

≈ 40 30 (7) w/z ≈ 0.50**

Autobahnunter-führung Z64*

nicht bewitterte Sei-tenwände der Unter-führung

≈ 20 5 (1)

Gärtnerstras-senbrücke*

Unterseite, Obersei-te Druckbögen

≈ 60 11 (1) w/z ≈ 0.60**

Kirchberg*** Stütze ≈ 40 w/z ≈ 0.45** Obkirchen-Via-dukte, Hergis-wil***

Fahrbahnplatte ≈ 40 w/z ≈ 0.52**

Runca Sut, Waldhaus - Staderas***


Schluocht-brücke, Eggen-berg, VS***


Arsenalüberfüh-rung, Kriens***

Stützen, Fahrbahn-platte

≈ 40 w/z ≈ 0.50 **

Hardbrücke Neuenhof***

Stützen ≈ 30 w/z ≈ 0.52**

Brücke über Vortunnel, Gö-schenen***

Fahrbahnplatte ≈ 25

Bestimmung der Gaspermeabilität an aus dem Bau-werk entnomme-nen Bohrkernen

w/z ≈ 0.53**

*Daten aus Torrent & Frenzer (1995) **Schätzwert basierend auf Druckfestigkeit; *** Daten aus Hunkeler et al. (2002)


In den nachfolgenden Abschnitten sind auch Ergebnisse von Untersuchungen von Hunkeler et al. (2002) aufgeführt: Es wurden je drei Bohrkerne aus Bauteilen der Objekte entnommenen und daran im Labor nach 14tägiger Trocknung bei 50 °C die Gaspermeabilität bestimmt. Der Vergleich soll zeigen, ob mit der vor Ort zerstörungsfrei bestimmten Luftpermeabilität ähnliche Zusammenhänge wie bei der an Bohrkernen im Labor bestimmten Gaspermeabilität bestehen.

5.3.2 Luftpermeabilität und Standardabweichung Die geometrischen Mittelwerte (ohne Extremwerte) der Luftpermeabilitäten der untersuchten Bauteile variierte zwischen ca. 0.01 und 10⋅10-16 m2 (Abbildung 65). Wenige Messwerte liegen ≥ 1⋅10-16 m2, vielen liegen im Bereich 0.05 bis 0.1⋅10-16 m2. Die Messwerte liegen ungefähr in dem Bereich der Werte für Neubauten (Abbildung 53 auf S. 54), wenn gleich bei Altbauten prozentual mehr sehr hohe Messwerte (> 1⋅10-16 m2) auftraten. Dies ist jedoch zu relativieren, da bei Tunnel 11 und Hochbau 10 der Beton sehr trocken war (vgl. Prüfberichte). Bei "Brücken 11" liegen die Luftpermeabilitäten der Stützen 323B, 323Z höher als bei den anderen Stützen. Die Bohrkerndruckfestigkeiten der Stützen 323B und 323Z waren etwa 20 bis 30 % tiefer als bei den anderen Stützen; zudem waren die Karbonatisierungstiefen und Chlorideinträge höher. Folglich wurde bei den zwei Stützen ein qualitativ schlechterer Beton als bei den übrigen Stüt-zen verwendet. Die von Hunkeler et al. (2002) gemessenen Gaspermeabilitäten sind ähnlich wie die Werte für die Luftpermeabilität.

0.001

0.01

0.1

1

10

100

A H32

3B31

8B20

7B20

5B20

4B20

1B20

1A20

4A20

5A20

7A31

8A32

3A P2

P4

S4 W B F2 F3 F4 F5 2 80 413 19 21 26 D2

D0

DU .

Oen

sing

en Z

64

Gär

ners

trass

e

Her

gisw

il

Ars

enal

Kirc

hber

gS

chlu

ocht

Run

ca S

utZu

chw

ilH

ards

trass

eG

ösch

enen

Brü10

Brücken 11 Brü 12 Brü13

Tunnel10

Tunnel11

Stützw10

Hochb10

. BrUnt. Br Br Br Br Br Br Br Br Br

Luftp

erm

eabi

lität

[10-1

6 m2 ]

Luftpermeabilität Gaspermeabilität

Abbildung 65: Mittlere Luftpermeabilität (ohne Extremwerte) der untersuchten Bauteile; die Da-ten zur Gaspermeabilität stammen aus Hunkeler et al. (2002)

Es zeigte sich wie auch bei den Neubauten oder Laborbetonen kein Zusammenhang zwischen der Luftpermeabilität und der Standardabweichung (Abbildung 66 oben). Werden die Extrem-werte bei der Luftpermeabilität nicht berücksichtigt, geht die Standardabweichung leicht zurück (Abbildung 66 unten). Bei den 25 % (50, 75 %) der Bauteile mit der geringsten Standardab-weichung liegt die Standardabweichung maximal bei 0.40 m2 (0.53 m2, 0.70 m2) mit und 0.33 m2 (0.43 m2, 0.64 m2) ohne Extremwerte. Die Messwertepaare von Torrent & Frenzer (1995) liegen im Bereich der eigenen Messwertepaare. Die Messwertepaare von Hunkeler et al. (2002), die auf je drei Gaspermeabilitätsmessungen an Bohrkernen beruhen, weisen leicht geringere Stan-dardabweichungen auf.


Die Standardabweichungen sind zumeist höher als bei den Neubauten (Abbildung 54 auf Seite 55). Daraus kann gefolgert werden, dass Neubauten herstellungsbedingt und/oder durch die geringere Alterung/Schädigung homogener sind. Die Zunahme der Streuung mit zunehmendem Alter könnte darauf beruhen, dass die ungeschädigten Partien in Folge anhaltender Ze-menthydratation und eventuell Karbonatisierung mit der Zeit immer dichter werden, bei geschä-digten Bereichen jedoch die Schädigung mit der Zeit eher fortschreitet. Dadurch nimmt der Un-terschied zwischen ungeschädigten und geschädigten Bereichen mit der Zeit zu.

0.0

0.1

1.0

10.0

100.0

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4

Standardabweichung [m2]

Luftp

erm

eabi

lität

[10-1

6 m2 ]

Daten Torrent & Frenzereigene Daten

0.0

0.1

1.0

10.0

100.0

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4

Standardabweichung [m2]

Luftp

erm

eabi

lität

[10-1

6 m2 ]

Torrent & Frenzereigene DatenHunkeler et al., Gaspermeabilität

Abbildung 66: Mittlere Luftpermeabilität und Standardabweichung

oben: basierend auf allen Messwerten unten: ohne Extremwer-te und mit Gaspermeabi-litäten von Hunkeler et al. (2002).

5.3.3 Einfluss der Betonfeuchte sowie der Lufttemperatur Die in der Praxis gemessenen spezifischen elektrischen Widerstände variieren zwischen ca. 10 und 1000 kΩcm. Hier ist anzumerken, dass die Messtermine für die Bauteile so ausgewählt wurden, dass diese nicht bei oder direkt nach einem Niederschlag lagen. Der an den Bauteilen gemessene spezifische elektrische Widerstand ist in Abbildung D- 12 gegenüber der Luftper-meabilität aufgetragen. Daraus können keine Hinweise auf einen minimal notwendigen spezifi-schen elektrischen Widerstand abgeleitet werden, oberhalb dessen die Luftpermeabilität nur unbedeutend von der Betonfeuchte beeinflusst wird. Analog zum spezifischen elektrischen Wi-derstand kann auch aus den Messwerten zur kapazitiv bestimmten Betonfeuchte kein Hinweis abgeleitet werden, aber welcher maximalen Betonfeuchte die Luftpermeabilität nicht mehr durch die Betonfeuchte beeinflusst wird (Abbildung D- 13). Wird der spezifische elektrische Wider-stand gegen die kapazitiv bestimmte Betonfeuchte dargestellt, ergibt sich ein Zusammenhang


(Abbildung 67). Daraus kann geschlossen werden, dass beide Messmethoden zu einer ähnli-chen Einschätzung des Einflusses der Betonfeuchte auf die Luftpermeabilität führen, dies aber nicht den alles andere überragenden Einfluss auf die Luftpermeabilität darstellt.

y = 4.4307e-0.0003x

R2 = 0.3152

2

3

4

5

6

7

1 10 100 1000


kapa

zitiv

bes

timm

te B

eton

feuc

hte

[M.-%

]

Brücke 10

Brücken 11

Brücke 12

Stützwand 10

Abbildung 67: Spezifischer elekt-rischer Widerstand in Abhängigkeit von der kapazitiv bestimmten Be-tonfeuchte; zu-sätzlich ist die Ausgleichsgerade für alle Messpunk-te eingetragen.

Als weiteren Einfluss der Umgebungsbedingungen auf die Luftpermeabilität eines Bauteils ist die Lufttemperatur zu betrachten (Abbildung 68). Zwischen beiden Messgrössen zeigt sich kein Zusammenhang, d.h. die Lufttemperatur stellt in dem betrachteten Bereich von 6 bis 23 °C ebenfalls keinen alles andere überragenden Einfluss auf die Luftpermeabilität bei den unter-suchten Bauteilen dar. Deshalb wurde auch hier, wie bei den untersuchten Neubauten (vgl. Abschnitt 5.2.4 auf S. 57f), keine temperaturbedingte Korrektur der Luftpermeabilitätswerte vor-genommen.

0

5

10

15

20

25

0.001 0.01 0.1 1 10 100


Luftt

empe

ratu

r [°C

]

Brücken 11Tunnel 11Tunnel 10Brücke 10Stützw 10Brücke 12Brücke 13

Abbildung 68: Mittle-re Luftpermeabilität in Abhängigkeit von der Lufttemperatur.

Analog zu den Ergebnissen der Laboruntersuchungen (Abbildung 45 auf S. 45) und Neubau-ten (Abbildung 57 auf S. 57) ergab sich zwischen der Lufttemperatur und dem spezifischen elektrischen Widerstand ein loser Zusammenhang, nicht aber zwischen der Lufttemperatur und der kapazitiv bestimmten Betonfeuchte (Abbildung D- 14). Mit abnehmender Lufttemperatur nahm erwartungsgemäss der spezifische elektrische Widerstand zu. Der Zusammenhang ist qualitativ ähnlich wie bei den Laboruntersuchungen (Abschnitt 4.3.2 auf S. 44ff), quantitativ


weicht er ab, da u. a. die Betonfeuchte bekanntermassen einen grossen Einfluss auf den Zu-sammenhang ausübt und diese in den verschiedenen Bauteilen variierte.

5.3.4 Luftpermeabilität und w/z-Wert Ein Ziel der Bauwerksuntersuchungen ist oft die Beurteilung der Qualität des Betons, aber auch der vorhandenen Betonqualität im Vergleich zum w/z-Wert. Beim Vergleich mit dem w/z-Wert kann beurteilt werden, ob der Beton sorgfältig eingebaut, verdichtet und nachbehandelt wurde sowie ob Schädigungen z. B. in Form von Rissen im Beton vorhanden sind. Da der w/z-Wert nur bei wenigen Bauteilen aus den Bauakten hervorging und es auch fraglich war, ob die Anga-ben in den Bauakten dem Ist-Zustand entsprachen, wurde der w/z-Wert entweder aus der Fes-tigkeit und/oder den mikroskopischen Untersuchungen abgeschätzt und, falls vorhanden, mit weiteren Festbetoneigenschaften auf Plausibilität überprüft. Der Einfluss einer möglichen Abweichung zwischen der Bohrkerndruckfestigkeit und der Wür-feldruckfestigkeit wurde nicht berücksichtigt, da dies nur einen untergeordneten Effekt (ca. 15 %) hat. Die Abschätzung des w/z-Wertes aus der Druckfestigkeit wurde gemäss EMPA-Formeln in zwei Stufen wie folgt vorgenommen: 1. Abschätzung der 28-Tage-Druckfestigkeit aus der Bohrkerndruckfestigkeit nach Jahren fc(t) = fc(28 d)⋅0.41⋅[log(t)+1] mit t: Alter des Betons [d] fc: Bohrkerndruckfestigkeit [MPa] 2. Abschätzung des w/z-Wertes aus der 28-Tage-Druckfestigkeit fc fc = 95 - 105⋅w/z Zwischen dem vor allem aus der Druckfestigkeit geschätzten w/z-Wert und der Luftpermeabilität ergab sich ein loser Zusammenhang (Abbildung 69). Dabei ist Folgendes anzumerken: Ein Luftpermeabilitätsmesswert (w/z = 0.50) von der Untersicht der Zwischendecke des Objekts "Tunnel 11" ist relativ hoch; eine Erklärung hierfür ist, dass der Beton sehr trocken ist (spez. elektrischer Widerstand 400 - 900 kΩcm). Gleiches trifft für die Messpunkte von "Hochbau 10" (w/z ≥ 0.60) zu. Die beiden Bauteile mit den relativ hohen Luftpermeabilitätsmesswerten (ca. 10⋅10-16 m2) von "Brücken 11" fallen auch durch sehr hohe Chloridgehalte auf; dies bestätigt die sehr hohe Durchlässigkeit dieses Bauteils. Die Gaspermeabilitätsdaten aus Hunkeler et al. (2002) stimmen relativ gut mit dem mittleren Zusammenhang für ältere Bauwerke (braune Linie) überein. Der in Tabelle 3 (S. 4) dargestellte Zusammenhang zwischen dem w/z-Wert und der Gaspermeabilität bei guter Nachbehandlung (grüne Linie) liegt bei den älteren Bauwerken eher im oberen Bereich. Vergleicht man den mittleren Zusammenhang für ältere Bauwerke (braune Linie in Abbildung 69) mit demjenigen für jungen, weniger als 1.5 Jahre alten Beton (gestrichelte Linie), zeigt sich, dass älterer Beton mit w/z-Werten über 0.55 eher höhere und bei w/z-Wert unter 0.55 eher niedrigere Luftpermeabilitäten als der entsprechende junge Beton aufwies. Dies zeigte sich auch in Laboruntersuchungen von Jacobs (1994). Durch die fortschreitende Hydratation des Zementes findet eine Gefügeverdichtung statt, wodurch die Luftpermeabilität abnimmt. Bei älte-ren Bauwerken mit Beton mit hohen w/z-Werten können im Verlauf der Jahrzehnte vermehrt Schadstoffe in den Beton eindringen und schädigen, wodurch der Beton dann, bei gleichem w/z-Wert, höhere Luftpermeabilitäten im Vergleich zu Neubauten aufweisen kann.


0.001

0.01

0.1

1

10

100

0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

geschätzter w/z-Wert [-]

Luftp

erm

eabi

lität

[10-1

6 m2 ]

Tunnel 10 Tunnel 11 Brücke 10 Brücken 11

Brücke 12 Brücke 13 Hochb 10 Stützwand 10

Torrent & Frenzer Neubau Hunkeler, Gasperm Jacobs 1999

y=7E-7e^(24.762wz)

Betonfeuchte > 6 M.-%

Ausgleichsgerade für ältere Bauwerke

Ausgleichsgerade für Neubauten

Abbildung 69: Luftpermeabilität in Abhängigkeit vom geschätzten w/z-Wert; die ausgezogene braune Linie gibt den mittleren Zusammenhang bei älteren Bauwerken und die gestrichelte Li-nie denjenigen bei Neubauten (Abbildung 60 auf S. 60) an.

Anzumerken ist noch, dass auch eine porositätsbedingte Korrektur der Luftpermeabilitätswerte vorzunehmen wäre (siehe Abschnitt 4.2.1 auf S. 35f), wodurch sich die Luftpermeabilität, im Vergleich zur vom Messgerät angezeigten, um etwa den Faktor 2 bei den älteren und jüngeren Betonen erhöhen würde.

5.3.5 Luftpermeabilität und andere Betoneigenschaften Nachfolgend werden verschiedene Eigenschaften gegeneinander dargestellt. Die Auswahl der Objekte beruht darauf, wo entsprechende Angaben vorlagen. Zwischen der Luftpermeabilität oder der Gaspermeabilität (Daten aus Hunkeler et al. 2002) und der nach SIA 262/1 bestimmten füllbaren Porosität zeigte sich kein für alle Bauteile gültiger Zu-sammenhang (Abbildung D- 15). Für einzelne Bauteile wie beispielsweise die "Brücken 11" zeigt sich ein Zusammenhang zwischen der Luftpermeabilität und der füllbaren Porosität. Da die füllbaren Poren im Beton sehr unterschiedliche Grössen (0.01 - 100 µm) aufweisen, ist de-ren summarische Angabe entsprechend wenig aussagekräftig für die Luftpermeabilität.


Sowohl zwischen der Luftpermeabilität und der Wasseraufnahme (Abbildung 70) als auch der Wasserleitfähigkeit (Abbildung 71) zeigen sich enge Zusammenhänge, wie es auch schon aus früheren Untersuchungen bekannt ist (Kropp & Hilsdorf 1995, Jacobs 1999). Die Daten zur Gaspermeabilität aus Hunkeler et al. (2002) streuen relativ stark um den mit der Linie darge-stellten Zusammenhang. Warum dies so ist, kann nicht erklärt werden.

y = 1321.1x0.1625

R2 = 0.8331

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0.001 0.01 0.1 1 10 100


Was

sera

ufna

hme

nach

24

h [g

/m2 ]

Brücke 10

Brücken 11

Brücke 13

Tunnel 10

Tunnel 11

Abbildung 70: Luftpermeabi-lität in Abhängigkeit von der Wasseraufnahme nach SIA 262/1, Anhang A; zusätzlich ist der Zusammenhang für "Brücken 11" eingetragen.

y = 4.6713x0.235

R2 = 0.8151

0

2

4

6

8

10

12

0.001 0.01 0.1 1 10


Was

serle

itfäh

igke

it [k

g/m

2 h]

Brücke 10

Brücken 11

Brücke 13

Tunnel 10

Tunnel 11

Hunkeler Gaspermeabilität

Potenziell (alle ohne Hunkeler)

Abbildung 71: Luftpermeabili-tät in Abhängigkeit von der Wasserleitfähigkeit nach SIA 262/1, Anhang A; zusätzlich ist die Regressionskurve für alle Bauwerke (ohne die Da-ten von Hunkeler et al.) ein-getragen.

Zwischen der minimalen, mittleren oder maximalen Karbonatisierungstiefe und der Luftpermea-bilität bestehen geringe Zusammenhänge (Abbildung 72). Unterhalb einer Luftpermeabilität von 0.1⋅10-16 m2 (grüne Linie) beträgt die maximale Karbonatisierungstiefe weniger als 25 mm, die mittlere weniger als 15 mm und die minimale Karbonatisierungstiefe maximal ca. 5 mm. Ur-sache für den losen Zusammenhang ist der Einfluss der Exposition: Ist der Beton immer relativ trocken oder feucht, kann er, auch bei hoher Porosität, kaum karbonatisieren; weist der gleiche Beton eine mittlere Feuchtigkeit auf, ist die Karbonatisierungsgeschwindigkeit grösser. D.h. die Karbonatisierung wird auch stark durch von der Betondurchlässigkeit unabhängige Faktoren bestimmt. Die Messwerte von Torrent & Frenzer (1995) stimmen mit den eigenen gut überein.


y = 6.7896x0.3513

R2 = 0.4007

y = 11.276x0.2362

R2 = 0.3012

y = 15.612x0.1776

R2 = 0.2526

0

5

10

15

20

25

30

0.001 0.01 0.1 1 10


Kar

bona

tisie

rung

stie

fe [m

m]

maximalemittlereminimaleTorrent & Frenzer: maximaleTorrent & Frenzer: mittlereTorrent & Frenzer: minimale

Abbildung 72: Luftpermeabili-tät in Abhängig-keit von der Karbonatisie-rungstiefe.

Da auch der Chlorideintrag in Beton nicht nur durch die Transportfähigkeit des Betons sondern ebenfalls durch die Bauteilexposition bestimmt wird, ergibt sich kein Zusammenhang zwischen der Luftpermeabilität und dem Chloridgehalt in 10 - 20 mm Tiefe (Abbildung 73). Diese Tiefen-stufe wurde gewählt, da einerseits in der Tiefenstufe 0 - 10 mm Auswaschungen auftreten kön-nen und andererseits die Luftpermeabilität vor allem von den äussersten zwei Zentimetern des Betonbauteils bestimmt wird. Zusätzlich ist anzumerken, dass die Angabe des Chloridgehaltes bezüglich des Zementgehaltes nicht sehr genau ist, da der Zementgehalt im Beton selten be-kannt war und immer mit 300 kg/m3 angenommen wurde. Würde der tatsächliche Zementgehalt um bis zu ca. 20 % (240 - 360 kg/m3) davon abweichen, könnte damit alleine auf keinen Fall der fehlende Zusammenhang zwischen dem Chloridgehalt und der Luftpermeabilität erklärt werden. Die Daten von Hunkeler et al. (2002) liegen im allgemeinen Streubereich der anderen Daten. Unterhalb einer Luftpermeabilität von 0.1⋅10-16 m2 (grüne Linie) beträgt der Chloridgehalt im Beton zumeist weniger als 0.6 M.-% bzgl. Zementgehalt.

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

0.001 0.01 0.1 1 10 100


Cl-G

ehal

t in

10 -

20 m

m T

iefe

[M.-%

bzg

l. C

EM]

Brücke 10Brücken 11Brücke 13Stützwand 10Tunnel 10Tunnel 11Hunkeler Gaspermeabilität

Abbildung 73: Luftpermeabili-tät in Abhängig-keit vom Chlo-ridgehalt in 10 - 20 mm Tiefe; zusätzlich sind die Werte (Gaspermeabili-tät, Chloridge-halt in 0 - 10 mm Tiefe) von Hunkeler et al. (2002) einge-tragen.


Die Bohrkerndruckfestigkeit wurde an Bohrkernen mit einem Durchmesser von 50 mm und mit einem Längen- zu Durchmesserverhältnis von 1 : 1 ermittelt. Da sich die Druckfestigkeit zwi-schen 17 und 60 Jahren nicht mehr viel ändert, wurden die Prüfwerte direkt in Abbildung 74 angegeben, d.h. keine Korrektur des Alterseinflusses vorgenommen. Es zeigt sich ein loser Zusammenhang zwischen der Bohrkerndruckfestigkeit und der Luftpermeabilität, der für ähnli-che Betone (z. B. "Brücken 11") relativ eng werden kann. Die Daten von Torrent & Frenzer (1995) und Hunkeler et al. (2002) liegen im Bereich des losen Zusammenhangs. Manche Messwerte von Bauwerken fallen deutlich auf:

• Brücke 10: Die für eine Druckfestigkeit von 120 MPa vergleichsweise hohe Luftperme-abilität könnte durch die Messmethode erklärt werden, da bei nassem Beton Wasser bei der Messung verdampft und zu scheinbar hohen Luftpermeabilitäten führt.

• Brücke 13: Die im Vergleich zur Druckfestigkeit von 22 MPa ermittelte sehr niedrige Luftpermeabilität könnte durch ein unterschiedliches Betongefüge bei den Bohrkernen für die Druckfestigkeitsbestimmung und der Stelle für die Luftpermeabilitätsmessung erklärt werden; die hohe Dichtigkeit des Betonsgefüges (niedrige Luftpermeabilität) wird auch durch die geringen Karbonatisierungstiefen von 4 mm nach ca. 30 Jahren belegt.

y = -3.8145Ln(x) + 71.353R2 = 0.6693

0

20

40

60

80

100

120

0.001 0.01 0.1 1 10 100


Boh

rker

ndru

ckfe

stig

keit

[N/m

m2 ]

Brücke 10Brücken 11Brücke 12Brücke 13Tunnel 10Tunnel 11Stützwand 10Hochbau 10Torrent & FrenzerHunkeler Gaspermeabilität

Abbildung 74: Luftpermeabilität in Abhängigkeit von der Druck-festigkeit im Alter von ca. 17 - 36 Jahren (ei-gene Messun-gen), 40 - 60 Jahren (Torrent & Frenzer) und 23 - 42 Jahren (Hunkeler et al. 2002).

Luftpermeabilität als Kenngrösse für die Betonqualität - Folgerungen 75

6 Folgerungen

6.1 Betonzusammensetzung, Schalungseinlagen, Oberflächenschutzsystem Bei den Laborversuchen wies Beton mit einem w/z-Wert von 0.50 und Portlandkalksteinzement (CEM II/A-LL) zumeist höhere Luftpermeabilitäten als Beton mit Portlandzement (CEM I) und einem w/z-Wert von 0.60 auf (Abbildung 37 auf S. 36). Ähnliches ermittelten Romer & Lee-mann (2005): Beton mit einem w/z-Wert von 0.50 mit Portlandzement und Flugasche oder Sili-kastaub wies nach 28 bis 365 Tagen eine höhere Luftpermeabilität als Beton nur mit Portland-zement auf. Die Ergebnisse der Untersuchungen an Neubauten deuten teilweise auf eine er-höhte Luftpermeabilität bei Beton mit Portlandkalksteinzement hin. Jedoch liegen zu wenige Ergebnisse vor, um dies klar beurteilen zu können. Die Verwendung von Luftporenbildner führte bei den Untersuchungen an Neubauten zu keinen erhöhten Luftpermeabilitäten im Vergleich zu Beton ohne Luftporenbildner. Die Laborbetone weisen im Allgemeinen eher tiefere Luftpermeabilitäten bei vergleichbaren w/z-Werten als die Betone der Neubauten auf. Dies könnte vor allem auf die eher bessere Ver-dichtung und Nachbehandlung der Laborbetone zurückgeführt werden. Der Beton der älteren Bauwerke weist bei w/z-Werten unter 0.55 eher tiefere und bei w/z-Werten über 0.55 eher hö-here Luftpermeabilitäten als der Beton von Neubauten auf (Abbildung 69 auf S. 71). Durch die fortschreitende Hydratation des Zementes findet eine Gefügeverdichtung statt, wodurch die Luftpermeabilität abnimmt. Bei älteren Bauwerken kann Beton mit hohen w/z-Werten durch Mik-rorisse geschädigt sein oder eine geringere Betonfeuchte aufweisen, wodurch bei gleichem w/z-Wert höhere Luftpermeabilitäten im Vergleich zum Beton der Neubauten resultieren. Es ist zu beachten, dass sich sowohl die Betonzusammensetzungen als auch die Betonaus-gangstoffe in den letzten Jahrzehnten geändert haben. Durch den Einsatz von Zusatzmitteln können Betone mit niedrigen w/z-Werten einfacher hergestellt werden. Reaktivere Zemente ergeben höhere Frühfestigkeiten, die in der Regel zu Lasten der Endfestigkeiten gehen. Reakti-ve Zusatzstoffe oder Zementbestandteile wie Flugasche, Silikastaub oder Hüttensand führen auch zu einer von reinem Portlandzement abweichenden Gefügeentwicklung. D.h. es kann nicht davon ausgegangen werden, dass die heutigen Betone in ca. 30 Jahren die gleichen Ei-genschaften wie die heute 30 Jahre alten Betone aufweisen. Die Betonzusammensetzung kann durch den Einbau beeinflusst werden. Als Konsequenz da-von kann die Luftpermeabilität über die Bauteilhöhe variieren (Abschnitt 5.2.3 auf S. 55ff). Wasserabführende Schalungseinlagen können die Luftpermeabilität des Überdeckungsbetons reduzieren (Abbildung 51 auf S. 50). Auf Grund der geringen Anzahl an Messungen kann zu den Auswirkungen von Oberflächenbe-handlungen (Hydrophobierung, Antigraffittibeschichtung) auf die Luftpermeabilität keine Aussa-ge gemacht werden.

6.2 Betonfeuchte Der spezifische elektrische Widerstand variierte zum Zeitpunkt der Untersuchung bei Neubau-ten zwischen < 10 und ca. 100 kΩcm (Abbildung 57 auf S. 57), bei älteren Bauwerken zwi-schen 20 und 1000 kΩcm (Abbildung D- 14). Diese Unterschiede zeigten sich auch in den ka-pazitiv bestimmten Betonfeuchten: Neubau: ca. 4 bis ca. 6 M.-% (Abbildung 57); ältere Bau-werke: ca. 3.5 bis ca. 5 M.-% (Abbildung D- 14). Sowohl für die Alt- als auch Neubauten liegt, über alle Messwerte betrachtet, ein loser Zusammenhang zwischen der kapazitiv bestimmten Betonfeuchte und dem spezifischen elektrischen Widerstand vor (Abbildung 75), der nahezu unabhängig vom Bauteilalter ist, wie die Ausgleichsgeraden zeigen.


Altbau:y = -0.4962Ln(x) + 6.8291

R2 = 0.5453

Neubau:y = -0.5702Ln(x) + 7.1777

R2 = 0.4551

2

3

4

5

6

7

1 10 100 1000


kapa

zitiv

bes

timm

te B

eton

feuc

hte

[M.-%

]Altbau

Neubau

eventuell TPT-Messung möglich

zu feucht für TPT-Messung

Abbildung 75: Zusammenhang zwischen dem spezifischen elektrischen Widerstand und der kapazitiv bestimmten Betonfeuchte für Neubauten und ältere Bau-werke.

Poröser, sehr nasser Beton kann eine Luftpermeabilität aufweisen, die der Betonzusammenset-zung von dichtem Beton bei trockenen Bedingungen entspricht (Abbildung D-9). Folglich muss bei jeder Luftpermeabilitätsmessung die Betonfeuchte gemessen werden. Gemäss den vorlie-genden Ergebnissen aus den Praxisversuchen sollte der spezifische elektrische Widerstand grösser 10 - 20 kΩcm oder die kapazitiv bestimmte Betonfeuchte15 weniger als 5.5 - 6.0 M.-% sein, um das Ergebnis der Luftpermeabilität ohne Korrektur des Feuchtigkeitseinflusses inter-pretieren zu können. Während der spezifische elektrische Widerstand durch die Temperatur beeinflusst wird, ist bei der kapazitiv bestimmten Betonfeuchte dieser Einfluss nicht sichtbar (Abbildung 59 auf S. 59, Abbildung D- 14).

6.3 Luftpermeabilität und andere Betoneigenschaften Zwischen der Luftpermeabilität und dem w/z-Wert besteht ein loser Zusammenhang (Neubau: Abbildung 60 auf S.60; ältere Bauwerke: Abbildung 69 auf S. 71), der für Neubauten und älte-re Bauwerke unterschiedlich ist. Der für maximal 1.5 Jahre alte Betone ermittelte Zusammen-hang zwischen dem w/z-Wert und der Luftpermeabilität (Jacobs 1999) scheint in Anbetracht der Streuung der Daten sowohl bei Neubauten als auch älteren Bauwerken als Anhaltspunkt an-wendbar zu sein. Zwischen der Luftpermeabilität und der Druckfestigkeit zeigt sich ein loser Zusammenhang (Abbildung 76). Der Beton von Altbauten weist im Vergleich zum Neubau bei gleicher Luftper-meabilität eher eine höhere Druckfestigkeit auf. Durch die über Jahrzehnte noch weiter (gering) fortschreitende Hydratation ändert sich die Druckfestigkeit deutlicher als die Luftpermeabilität. Anzumerken ist, dass die Zementfeinheit während der letzten Jahrzehnte zunahm. Somit ist die Nacherhärtung der heute verwendeten Betone (Zemente) geringer. Dies kann bewirken, dass die heutigen Neubauten in ein paar Jahrzehnten nicht die Eigenschaften der heutigen, älteren Bauwerke aufweisen werden.

15 Im Rahmen der eigenen Messungen wurde die kapazitiv bestimmte Betonfeuchte mit einem Messgerät der Fa. Tramex (Moisture Encounter siehe Abbildung 32 auf S. 31) bestimmt. In wie weit die Messwerte gerätespezifisch sind, kann nicht beurteilt werden. D.h. andere Messgeräte ergeben eventuell andere Werte.


0.001

0.01

0.1

1

10

100

0 20 40 60 80 100 120

28-Tage-Würfeldruckfestigkeit, Bohrkerndruckfestigkeit [N/mm2]

Luftp

erm

eabi

lität

[10-1

6 m2 ]

Neubau: ohne reaktive ZusatzstoffeNeubau: mit FA, HS oder SSNeubau: hydrophobiertAltbauten

Abbildung 76: Zu-sammenhang zwi-schen der Druck-festigkeit und der Luftpermeabilität für Neubauten und ältere Bauwerke.

Zwischen der Kapillarporosität und der Luftpermeabilität zeigen sich weder bei Neubauten noch bei älteren Bauwerken allgemein gültige Zusammenhänge. Demgegenüber ergibt sich zwischen der Wasserleitfähigkeit und der Luftpermeabilität ein Zusammenhang (Abbildung 77), der sich beim Neubau und älteren Bauwerken unterscheidet. Ältere Bauwerke zeigen im Vergleich zu Neubauten bei gleicher Luftpermeabilität eine niedrigere Wasserleitfähigkeit.

y = 4.6632x0.2359

R2 = 0.8129

y = 6.4257x0.1814

R2 = 0.7613

0

2

4

6

8

10

0.001 0.01 0.1 1 10


Was

serle

itfäh

igke

it [k

g/m

2 h]

Neubau

Altbau

Abbildung 77: Zusammen-hang zwischen der Wasserleit-fähigkeit nach SIA 262/1 und der Luftperme-abilität für Alt- und Neubau-ten.

Der Schadstoffeintrag in den Beton wird nicht nur über das Transportpotential des Betons (ka-pillares Saugen, Luftpermeabilität), sondern auch durch die Exposition bestimmt. Folglich zei-gen sich bei den älteren Bauwerken keine engen Zusammenhänge zwischen der Karbonatisie-rungstiefe (Abbildung 72 auf S. 73), dem Chloridgehalt (Abbildung 73 auf S. 73) und der Luft-permeabilität. Jedoch wies dichter Beton (Luftpermeabilität maximal 0.1⋅10-16 m2) nur geringe Karbonatisierungstiefen und Chloridgehalte auf. Zwischen dem Chloridmigrationskoeffizienten und der Gaspermeabilität von Beton mit Portland-zement und ohne reaktive Zusatzstoffe wurde an Laborbetonen im Alter von 28 Tagen ein enger Zusammenhang festgestellt, der mit zunehmendem Betonalter loser wurde (Abbildung 78). Für


Betone mit anderen Zementen oder mit reaktiven Zusatzstoffen ist kein so enger Zusammenhang über alle Betone zu erwarten, da der Chloridmigrationskoeffizient sowohl von der Porengrössen-verteilung als auch der mineralogischen Zusammensetzung des Zementsteins und die Luftper-meabilität nur von der Porengrössenverteilung abhängt. Romer & Leemann (2005) fanden für Laborbetone auch einen engen Zusammenhang zwischen der Luftpermeabilität und der Chlorid-leitfähigkeit. Leemann et al. (2006) konnten dies mit Untersuchungen an einem Bauwerk nur teil-weise bestätigen (Abbildung D- 11). Aus Abbildung 78 ist auch ersichtlich, dass bei einer Gas-permeabilität von kleiner 0.1⋅10-16 m2 der Chloridmigrationskoeffizient kleiner 10⋅10-12 m2/s war. Nach Hunkeler et al. (2002) soll für die Expositionsklasse XD3 (CH) und eine Bewehrungsüber-deckung von 40 - 50 mm16 ein Chloridmigrationskoeffizient von maximal 10⋅10-12 m2/s gefordert werden.

28 d: y = 18.221x + 7.1399R2 = 0.6799

365 d: y = 9.8274x + 8.7601R2 = 0.1805

0

5

10

15

20

25

0.01 0.1 1 10

Gaspermeabilität [10-16 m2]

Chl

orid

mig

ratio

nsko

effiz

ient

[10-1

2 m2 /s

]

Labor 28 TageNeubau 28 TageLabor 365 TageNeubau 365 TageLabor 90 Tage

Abbildung 78: Chlo-ridmigrationskoeffi-zient und Gasper-meabilität von Beton mit Portlandzement und ohne reaktive Zusatzstoffe, Daten aus Hunkeler et al. 2002; für das Beton-alter 28 (ausgezo-gene Linie) und 365 Tage sind lineare Ausgleichsgeraden eingezeichnet und deren Geradenglei-chung angegeben.

6.4 Auswertung der Luftpermeabilitätsmessungen Zur Beurteilung der Luftpermeabilität sind pro zu untersuchendem Bereich mindestens 3 - 4 Messwerte ohne Extremwerte zu ermitteln. Mit den Messwerten sind der geometrische Mittel-wert und die Standardabweichung (der logarithmierten Messwerte) zu bestimmen. Extremwerte können dadurch charakterisiert werden, dass diese etwa Faktor 5 - 10 über dem geometrischen Mittelwert aller Messwerte liegen. Somit sind die Luftpermeabilitätsmessungen fortlaufend vor Ort auszuwerten, um Extremwerte zu erkennen. Ist dies der Fall sind weitere Luftpermeabili-tätsmessungen durchzuführen bis entweder 4 Messwerte ohne Extremwerte oder insgesamt maximal 6 Messwerte vorliegen. Sind 3 von den 6 Messwerten "extrem", deutet dies auf eine Inhomogenität des Betons hin, die über das übliche Mass hinausgeht. Weitere Luftpermeabili-tätsmessungen sind in der Regel nicht mehr sinnvoll. Wenn dies eintritt, ist im Einzelfall das weitere Vorgehen festzulegen; dies kann z.B. eine Betonbeschichtung, weitere (zerstörende) Untersuchungen umfassen. Bei Neubauten und älteren Bauwerken

• variieren die Luftpermeabilitäten (ohne Extremwerte) über mehr als drei Zehnerpoten-zen (< 0.01⋅10-16 m2 bis > 1⋅10-16 m2) (Abbildung 53 auf S. 54, Abbildung 65 auf S. 67). Sowohl bei den Neubauten als auch bei älteren Bauten liegt der geometrische Mit-telwert bei ca. 0.2⋅10-16 m2. Dies kann durch die ähnlichen w/z-Werte der Betone in den Neubauten und älteren Bauten bedingt sein.

16 Nach Norm SIA 262 ist für die Expositionsklassen XD2 und XD3 eine Bewehrungsüberdeckung von 55 mm gefordert.


• liegen 75 % der Standardabweichungen der Luftpermeabilität sowohl bei neuen als auch bei älteren Bauwerken bei ca. ≤ 0.7 m2 (mit Extremwerten) und bei ca. ≤ 0.4 m2 (Neubau ohne Extremwerte) bzw. ca. ≤ 0.6 m2 (Altbau ohne Extremwerte) (Abbildung 54 auf S. 55, Abbildung 66 auf S. 68).

Zur Veranschaulichung des Einflusses einer Standardabweichung von 0.2 bis 0.6 m2 auf die Streuung, sind in Abbildung 79 für mittlere Luftpermeabilitäten von 0.01 bis 10⋅10-16 m2 die Bereiche Mittelwert ± 1 Standardabweichung durch Linien markiert. Wird beispielsweise eine mittlere Luftpermeabilität von 1⋅10-16 m2 gemessen, liegen bei angenommener Normalverteilung Stichprobenergebnisse mit ca. 69 % Wahrscheinlichkeit bei einer Standardabweichung von

• 0.2 m2 zwischen 0.6 und 1.6⋅10-16 m2 • 0.4 m2 zwischen 0.4 und 2.5⋅10-16 m2 • 0.6 m2 zwischen 0.3 und 4⋅10-16 m2.

D.h., dass mit ca. 31 % Wahrscheinlichkeit Stichprobenergebnisse ausserhalb des Bereiches Mittelwert ± 1 Standardabweichung liegen. Die eine Hälfte der 31 % der Werte liegen bei tiefe-ren und die andere Hälfte bei höheren Werten als der geometrische Mittelwert. Mit diesen An-nahmen liegen nur ca. 15 % der Messwerte bei "zu hohen Luftpermeabilitäten". Im Bereich Mit-telwert ± 2 Standardabweichungen liegen ca. 95 % und im Bereich Mittelwert ± 3 Standardab-weichungen ca. 99.7 % aller Stichprobenergebnisse.

0.01

0.10

1.00

10.00

100.00

0.001 0.010 0.100 1.000 10.000 100.000

Luftpermeabilität +/- Standardabweichung [10-16 m2]

mitt

lere

Luf

tper

mea

bilit

ät [1

0-16 m

2 ]

Standardabweichung: -0.6 -0.4 -0.2 +0.2 +0.4 +0.6

Abbildung 79: Luftpermeabilitäten und Standardabweichung von 0.2, 0.4 und 0.6 m2; zusätzlich sind für eine Luftpermeabilität von 1⋅10-16 m2 mit Pfeilen die Werte markiert, die sich durch ± 1 Standardabweichung von 0.2, 0.4 und 0.6 m2 ergeben.

Die mit dem Torrent Permeability Tester bestimmte Luftpermeabilität nach SIA 262/1, ist etwa doppelt so hoch wie die tatsächliche. Ursache hierfür sind die bei der Berechnung getroffenen Annahmen zur effektiven Porosität (vgl. Abschnitt 4.2.1 auf S. 35ff).


6.5 Richtwerte und Konformitätsbeurteilung In Tabelle 13 sind Richtwerte für verschiedene Expositionsklassen vorgeschlagen. Diese gelten für folgende Randbedingungen:

• Alter: Neubau, d.h. Betonalter 1 - 2 Monate bis ca. 1.5 Jahre; o Brühwiler et al. (2005) zeigen mit Laborversuchen, dass die ca. 1 Woche nach

der Betonherstellung gemessene Luftpermeabilität sehr ähnlich zu der nach 1 Jahr gemessenen ist. Ob dies für andere Betonzusammensetzungen und Umge-bungsbedingungen verallgemeinert werden kann, ist fraglich und müsste über-prüft werden.

o Ist die Luftpermeabilität an jungem Beton (< 1 - 2 Monate) zu bestimmen, sind im Rahmen von Vorversuchen Luftpermeabilitätsmessungen durchzuführen und da-von Richtwerte für die Luftpermeabilität abzuleiten.

• Wassergehalt: ausreichend trockener Beton: spezifischer elektrischer Widerstand grösser 10 - 20 kΩcm oder kapazitiv bestimmte Betonfeuchte kleiner 5.5 - 6.0 M.-%

• Temperatur: Bauteiltemperatur grösser als 5 °C. • effektive Porosität: Die effektive Porosität von Beton beträgt ca. 5 - 10 Vol.-%. D.h. die

auf dem Messgerät angezeigte Luftpermeabilität wäre ungefähr zu verdoppeln, um die tatsächliche Luftpermeabilität zu erhalten. Zur einfacheren Handhabung sind in Tabelle 13 die Werte angegeben, die mit den vom Messgerät angezeigten Messwerten verglichen werden können.

• Oberflächenbeschaffenheit: Die Richtwerte gelten für geschalte Flächen. Für unge-schalte, z.B. abgezogene Flächen liegen zu wenige Informationen vor, um Richtwerte vorzuschlagen. Einzelne Luftpermeabilitätsergebnisse von geschalten und abgezoge-nen Flächen sind z.B. in Abbildung 51 auf S. 50 enthalten.

• Es bestehen Hinweise aus den Laborversuchen darauf, dass Betone, deren Bindemit-tel nicht nur aus Zement CEM I bestehen, trotz ausreichender Nachbehandlung wäh-rend der ersten Monate höhere Durchlässigkeiten aufweisen können; d.h. bei solchen Betonen sind Vorversuche zur Bestimmung der Luftpermeabilität und ggf. weiterer Kenngrössen angezeigt.

Tabelle 13: Vorgeschlagene Richtwerte für die maximale Luftpermeabilität (Anzeige auf dem Gerät, d.h. ohne porositätsbedingte Korrektur) von geschalten Flächen in Abhängigkeit von der Expositionsklasse und dem maximalen w/z-Wert der Tabelle NA.3 der SN EN 206-1; zusätzlich sind Mittelwerte für eine Standardabweichung σ∗ von 0.4 m2 angegeben, welche anzustreben sind, damit mit ca. 85 %-tiger Wahrscheinlichkeit alle Messwerte kleiner als der Maximalwert sind.

Luftpermeabilität Maximalwert Mittelwert bei

σ∗ = 0.4



Zur Beurteilung der Konformität von Luftpermeabilitätsmesswerten wird von Denarié (siehe Brühwiler et al. 2005) der Ansatz der prEN 13791, der zur Bewertung der Bohrkerndruckfestig-keit an 3 -14 Bohrkernen verwendet wird, empfohlen. Danach muss folgendes erfüllt sein: log (kTgeometrisches Mittel) + λ⋅σ∗ ≤ log(kTMaximalwert) σ∗: Standardabweichung [m2] λ: Koeffizient, der von der Anzahl Messwerte und der geforderten Sicherheit abhängt.


Bei drei bis vier Messwerten (ohne Extremwerte) beträgt λ ca. 2 - 4 und bei 10 Messwerten ca. 2 (Brühwiler et al. 2005). D.h. bei einer üblichen (noch akzeptablen) Standardabweichung von 0.4 m2 ergibt das Produkt aus σ∗⋅λ = 3⋅0.4 = 1.2 m2. Wäre eine Luftpermeabilität von beispiels-weise 0.5⋅10-16 m2 gefordert (gemäss Tabelle 13 z.B. mit Beton mit einem w/z-Wert von < 0.60 zu erreichen), dürfte der Logarithmus des geometrischen Mittelwertes maximal bei log(0.5⋅10-16) m2 - λ⋅σ∗ = -16.3 m2 - 1.2 m2 = -17.5 m2 liegen, was einer Luftpermeabilität von 0.03⋅10-16 m2 entspricht. So eine niedrige Luftpermeabilität kann z.B. mit Beton mit einem w/z-Wert von < 0.45 (Tabelle 13) erzielt werden. In Anbetracht der ermittelten Messwerte im Bereich von zumeist 0.01 - 1⋅10-16 m2 und des Ein-flusses des w/z-Wertes (siehe z.B. Abbildung 60 auf S. 60) erscheint der von Denarié vorge-schlagene Ansatz zu streng. Deshalb wird Folgendes vorgeschlagen: log (kTgeometrisches Mittel) + σ∗ ≤ log(kTMaximalwert) Ist eine Luftpermeabilität von beispielsweise 0.4⋅10-16 m2 gefordert und eine Standardabwei-chung σ∗ von 0.4 m2 ermittelt worden, darf der Logarithmus des geometrischen Mittelwertes höchstens bei log(0.4⋅10-16) m2 - σ∗ = -16.40 m2 - 0.16 m2 = -16.58 m2 liegen, was einer Luft-permeabilität von 0.3⋅10-16 m2 entspricht. Aus Abbildung 79 können für geometrische Mittelwer-te zwischen 0.01 und 10⋅10-16 m2 (Ordinate) und Standardabweichungen von 0.2, 0.4 und 0.6 m2 die entsprechenden Werte [log(kTgefordert) ± σ∗] auf der Abszisse abgelesen werden. In Tabelle 13 sind für eine Standardabweichung von 0.4 m2 mittlere Luftpermeabilitäten angege-ben, um die vorgeschlagenen Maximalwerte bei den verschiedenen Expositionsklassen einzu-halten. In Anhang B befindet sich eine Anleitung u.a. zur Bestimmung der Luftpermeabilität am Bau-werk.

6.6 Zukünftiger Handlungsbedarf Die Auswertung der im Rahmen dieses Projektes erarbeiteten Daten erlaubt einige Folgerun-gen hinsichtlich des praktischen Einsatzes der Luftpermeabilitätsmessung gemäss SIA 262/1, Anhang E. Weitere Untersuchungen sind angezeigt, um die Grenzen der Anwendbarkeit dieser Methode sowie die vorgeschlagene Richtwerte und den Konformitätsnachweis noch genauer zu überprüfen. Dies umfasst Folgendes:

• Genauere Ermittlung des Einflusses o der Betonfeuchte und der Temperatur auf die Luftpermeabilität, z.B. durch Be-

stimmung der Luftpermeabilität und der Betonfeuchte an verschiedenen bewitter-ten Betonbauteilen während mindestens einem Jahr unter Berücksichtigung möglichst grosser Temperatur- und Feuchtigkeitsschwankungen. D.h. an man-chen Tagen sind mehrere Messungen und zusätzlich sind über das Jahr verteilt Messungen vorzunehmen. Es sollten Betonbauteile mit und ohne reaktive Zu-satzstoffe untersucht werden. Dadurch wäre es möglich die hier vorgeschlage-nen Randbedingungen bzgl. Betonfeuchte und Temperatur bei Luftpermeabili-tätsmessungen zu überprüfen und auch eventuell Möglichkeiten zur Korrektur dieser Einflüsse zu ermitteln.

o von Portlandkalksteinzement im Beton auf die Luftpermeabilität; Beton mit Port-landzement wird sehr viel verwendet. Gemäss u.a. den hier vorgelegten Ergeb-nissen bestehen Hinweise darauf, dass so ein Beton eventuell teilweise eine ge-ringere Dauerhaftigkeit als ein vergleichbarer Beton mit Portlandzement aufwei-sen könnte.

o der Schalhaut (saugend, nicht saugend) auf die Luftpermeabilität. Dieser Einfluss wurde bisher nicht ausrechend betrachtet.


Nach Vorlage weiterer Ergebnisse von Luftpermeabilitätsmessungen sind die vorgeschlagenen Richtwerte und der Konformitätsnachweis in Anhang B zu überprüfen.

Seitens Gerätehersteller besteht Handlungsbedarf bei der Berücksichtigung der effektiven Be-tonporosität bei der Berechnung der Luftpermeabilität. Hinweise hierzu sind in Abschnitt 3.2.3.1 auf S. 13ff gegeben.


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Luftpermeabilität als Kenngrösse für die Betonqualität Anhang

Anhang Anhang A: Bestimmung der Rückprallzahl gemäss SN EN 12504-2

Anhang B: Hinweise zur Bestimmung der Luftpermeabilität nach SIA 262/1, Anhang E

Anhang C: Prüfberichte zu den Luftpermeabilitätsmessungen vor Ort Anhang D: Weitere Angaben zu den Untersuchungen mit den Abbildungen

D1 bis D14 und Tabelle D-1

Luftpermeabilität als Kenngrösse für die Betonqualität Anhang A-1

Anhang A: Bestimmung der Rückprallzahl gemäss SN EN 12504-2 Vorbemerkung: Dieser Anhang enthält Vorgaben der Norm SN EN 12504-2 zu Anforderungen an die Prüfflä-chen und das Messgerät sowie die Auswertung (z.B. Mittelwertbildung, Umgang mit Extrem-werten) enthalten. Die Durchführung der Luftpermeabilitätsmessung kann sich daran anlehnen. Wahl der Prüffläche Die zu prüfenden Betonteile müssen eine Mindestdicke von 100 mm aufweisen und fest inner-halb einer Konstruktion angeordnet sein. Kleinere Probekörper dürfen unter der Voraussetzung geprüft werden, dass sie fest gelagert sind. Flächen mit Lunkerbildung, abgeblätterten Schich-ten, rauer Oberfläche oder hoher Porosität sollten vermieden werden. Bei der Wahl einer Prüffläche sollten folgende Faktoren berücksichtigt werden:

• die Betonfestigkeit; • die Oberflächenart; • die Betonart; • der Feuchtegehalt des Überdeckungsbetons; • die Karbonatisierung (gegebenenfalls); • die Bewegung des Betons bei der Prüfung; • die Prüfrichtung; • gegebenenfalls weitere Faktoren.

Eine Prüffläche muss ungefähr die Masse von 300 mm × 300 mm aufweisen. Vorbereitung der Prüffläche Sehr raue oder weiche Oberflächen oder Oberflächen mit losem Mörtel sind mit dem Schleif-stein glatt zu schleifen. Glattgeformte oder glatt gestrichene Oberflächen dürfen ohne vorheri-ges Schleifen geprüft werden. Auf den Betonoberflächen befindliches Wasser ist zu entfernen. Vorbereitung der Prüfung Der Rückprallhammer ist nach den Anweisungen des Herstellers zu bedienen. Vor Beginn … ist … sicherzustellen, dass er einwandfrei funktioniert. Vor der Durchführung einer Prüfreihe an einer Betonoberfläche sind unter Verwendung des Referenzambosses aus Stahl Ablesungen durchzuführen, aufzuzeichnen und zu überprüfen, um sicherzustellen, dass diese innerhalb des vom Hersteller empfohlenen Bereichs liegen. Ist dies nicht der Fall, so ist der Rückprallhammer zu säubern und anzugleichen. Der Rückprallhammer sollte üblicherweise bei einer Temperatur von 10 °C bis 35 °C betätigt werden. Prüfungsdurchführung Die Rückprallhammerstellung muss so gewählt werden, dass der Kolben fest und rechtwinklig auf die Prüffläche stösst. Der Druck auf den Kolben ist allmählich solange zu erhöhen, bis der Rückprallhammer aufschlägt. Nach dem Aufschlag ist die Rückprallzahl aufzuzeichnen. Es sind mindestens neun Ablesungen anzuwenden, um eine zuverlässige Schätzung der Rückprallzahl der Prüffläche zu erzielen. Die Stellung und Richtung des Rückprallhammers sind für jede Ab-lesungsreihe aufzuzeichnen. Der Abstand zwischen zwei Aufschlagpunkten darf nicht geringer als 25 mm sein und jeder Aufschlagpunkt muss mindestens 25 mm von einer Kante entfernt sein. ANMERKUNG: Vorzugsweise sollte ein regelmässiges Gitter mit Abständen von 25 mm bis 50 mm gezogen und die Schnittpunkte der Gitterlinien als Prüfpunkte festgelegt werden. Jeder Eindruck auf der Oberfläche nach dem Aufschlag ist zu untersuchen, und wenn der Aufschlag eine oberflächennahe Pore zerstossen oder durchbrochen hat, bleibt das Ergebnis unberück-sichtigt. Referenzüberprüfung Nach Beendigung der Prüfung sind Ablesungen mit Hilfe des Stahlambosses durchzuführen, aufzuzeichnen und mit den vor Beginn der Prüfung durchgeführten Ablesungen zu vergleichen.

Luftpermeabilität als Kenngrösse für die Betonqualität Anhang A-2

Wenn die Ergebnisse abweichen, ist der Rückprallhammer zu säubern und/oder anzugleichen und die Prüfung ist zu wiederholen. Prüfergebnisse Als Ergebnis gilt der Medianwert aller Ablesungen, der erforderlichenfalls anzugleichen ist, um die Richtung des Rückprallhammers nach den Anweisungen des Herstellers zu berücksichti-gen; das Ergebnis ist als ganze Zahl anzugeben. Wenn mehr als 20 % aller Ablesungen um mehr als 6 Einheiten vom Medianwert abweichen, ist die gesamte Ablesungsreihe zu verwer-fen. ANMERKUNG: Wenn mehr als ein Rückprallhammer verwendet wird, sollte eine ausreichende Anzahl von Prüfungen an vergleichbaren Betonoberflächen durchgeführt werden, um die zu erwartende Schwankung der Messwerte zu bestimmen. Prüfbericht Der Prüfbericht muss die folgenden Angaben enthalten:

• Kennzeichnung der Betonkonstruktion/des Betonteils; • Lage der Prüffläche(n); • Bestimmung des Rückprallhammers; • Beschreibung der Vorbereitung der Prüffläche(n); • Einzelheiten des Betons und seines Zustands; • Datum/Uhrzeit der Prüfdurchführung; • Prüfergebnis (Medianwert) und Rückprallhammerrichtung für jede Prüffläche; • (falls zutreffend) für die Rückprallhammerrichtung angeglichene Prüfergebnisse; • jede Abweichung vom genormten Prüfverfahren; • Erklärung der für die Prüfung in technischer Hinsicht verantwortlichen Person, dass

die Prüfung mit Ausnahme der in i) enthaltenen Angaben nach dieser Norm durchge-führt wurde.

ANMERKUNG: Der Prüfbericht kann, falls erforderlich, die einzelnen Ablesungen der Rück-prallzahlen enthalten. Genauigkeit Es liegen gegenwärtig keine Genauigkeitsangaben für diese Prüfung vor.

Luftpermeabilität als Kenngrösse für die Betonqualität Anhang B-1

Anhang B: Hinweise zur Bestimmung der Luftpermeabilität nach SIA 262/1, Anhang E Vorbemerkung Die hier festgehaltenen Hinweise basieren auf den Erfahrungen der TFB mit der Messmethode, die u.a. im Rahmen des ASTRA-Forschungsprojektes gewonnen wurden sowie Gesprächen mit weiteren Anwendern der Messmethode. Die Hinweise beziehen sich auf „übliche“ Messun-gen, d.h. je nach Fragestellung kann es notwendig sein von den Hinweisen abzuweichen. Neben den nachfolgenden Hinweisen sind auch die Hinweise der Prüfgerätehersteller bei der Durchführung der Messungen zu beachten (z.B. vor erster Messung Gerät mindestens ca. 30 Minuten mit geschlossenem roten Hahn warmlaufen lassen). Zusätzlich ist das Gerät regel-mässig auf Dichtigkeit und Funktionstüchtigkeit zu kontrollieren. D.h. z.B. vor und nach jedem grösseren Einsatz oder bei Zweifeln an den Messergebnissen ist eine Messung an der vom Hersteller mitgelieferten Metallplatte durchzuführen und das Ergebnis zu notieren. Ist der Druckanstieg kleiner als ca. 3 mbar, ist die Überprüfung erfolgreich. In grösseren Abständen oder bei Zweifeln an den Messergebnissen sind Messungen auf porösen Inertstoffen vorzu-nehmen, um die Funktionstüchtigkeit des Gerätes weitergehend zu kontrollieren. Als geeignete poröse Inertstoffe haben sich unglasierte, keramische Platten erwiesen. Prinzip In einer Prüfkammer und einem diese Kammer umgebenden Schutzring, die beide zur Beton-oberfläche hin geöffnet sind, wird mit einer Vakuumpumpe ein Unterdruck erzeugt. Danach wird die Verbindung von der Prüfkammer zur Vakuumpumpe luftdicht verschlossen. Der Druck im Schutzring wird während der Messung so gesteuert, dass dieser in Prüfkammer und Schutz-ring gleich ist. In der Prüfkammer wird der Druckaufbau durch die durch den Beton einströmen-de Luft in Abhängigkeit von der Zeit gemessen. Aus der zeitlichen Veränderung des Drucks und weiteren Kenngrössen wird die Luftpermeabilität berechnet. Die Luftpermeabilität wird übli-cherweise in der Form X ∙ 10-16 m2 angegeben. X kann, je nach Betonqualität, zwischen unter 0.01 und über 100 variieren. Die Luftpermeabilität kann Hinweise zur Betonqualität und deren Streuung geben. An Bauteilen werden eine oder mehrere Messflächen ausgewählt und auf diesen jeweils an mehreren Messstellen Luftpermeabilitätsmessungen durchgeführt. Zeitpunkt der Messung Die Bestimmung der Luftpermeabilität soll

• frühestens 1 - 2 Monat nach Beendigung der Nachbehandlung des Betons • frühestens 2 Tage nach einer Benetzung des Betons durch z.B. Niederschläge durchgeführt werden.

Die Luft- und/oder Bauteiltemperaturen sollen während der Messung mindestens 5 °C betra-gen. Der spezifische elektrische Widerstand des Betons soll > 10 - 20 kΩcm liegen, was unge-fähr einer kapazitiv bestimmten Betonfeuchte von < 5.5 - 6.0 M.-%17 entspricht. Auswahl und Vorbereitung der Messstellen Bei der Auswahl der Messstellen ist zwischen der Bestimmung der Luftpermeabilität an einem Bauteil oder bei einer Betonieretappe und an einer klar definierten kleinen Fläche (ca. < 1 m2) zu unterscheiden. Bei Letzterem bestimmt die zu untersuchende kleine Fläche die Lage der Luftpermeabilitätsmessungen. Gemäss den heutigen, wenigen Erkenntnissen ist die Bestimmung der Luftpermeabilität an mit Schalungseinlagen erstellten Bauteilen möglich, sofern kein Faltenwurf vorhanden ist.

17 Im Rahmen der eigenen Messungen wurde die kapazitiv bestimmte Betonfeuchte mit einem Messge-rät der Fa. Tramex (Moisture Encounter siehe Abbildung 32 auf S. 31) bestimmt. In wie weit die Mess-werte gerätespezifisch sind, kann nicht beurteilt werden. D.h. andere Messgeräte ergeben eventuell andere Werte.


Gilt es die Luftpermeabilität an einem Bauteil oder einer Betonieretappe zu bestimmen, wird Folgendes bei stehenden, geschalten Flächen18 empfohlen:

• Erste Auswahl der Messfläche (s. Abbildung B- 1) durch entsprechende Abstände zu Rändern; befinden sich Öffnungen (z.B. Durchbrüche) in der Messfläche, ist der Min-destabstand d einzuhalten.

• In einem nächsten Schritt ist visuell zu prüfen, ob der Beton mit einem Oberflächen-schutzsystem (OS) versehen ist. Ist ein OS vorhanden, ist entweder dies zu entfernen, eine Messfläche ohne OS zu suchen oder zu prüfen, ob das OS einen Einfluss auf die Luftpermeabilität hat (Messungen auf Flächen mit/ohne OS). Bestehen Zweifel am Einfluss der OS auf die Luftpermeabilität sind keine Messungen durchzuführen oder die Messungen durchzuführen und die „Zweifel“ im Prüfbericht zu vermerken (z.B. „OS auf Beton“).

• In einem dritten Schritt ist die Messfläche auf Stellen zu überprüfen, die die Bestim-mung der Luftpermeabilität beeinflussen können:

o Z.B. Bewehrung, Kabelrohre, Leitungen nahe der Oberfläche (ca. < 2 cm) o Risse o …

Abbildung B- 1: Schema zur ersten Auswahl der Messfläche an einem stehenden Bauteil; o: Beispiel für Orte für Messungen der Luftpermeabilität und des elektrischen Widerstands.

Im verbleibenden Bereich der Messfläche sind 4 Messstellen festzulegen. Der Abstand zwi-schen den Messstellen untereinander (Aussenrand Saugglocke) muss mindestens 10 cm betragen, wenn die benachbarten Messungen innerhalb von 1 Stunde erfolgen. Die Betonoberfläche muss ggf. vorbereitet werden, d.h. die Messstellen müssen trocken, sau-ber und eben sein (Grate, Unebenheiten > 0.1 mm sind z.B. mit einem Schleifstein einzueb-nen). Besteht der Verdacht, dass die Bewehrungsüberdeckung < 2 cm ist, ist die Bewehrungs-überdeckung zu bestimmen, da dies einen Einfluss auf die Luftpermeabilität haben kann.

18 Bei nicht stehenden oder ungeschalten Flächen ist sinngemäss vorzugehen: bei ungeschalten Flä-chen ist zu kontrollieren, ob die Rauhigkeit der Flächen Luftpermeabilitätsmessungen zulässt. Ist die Rauhigkeit zu gross, ist zu überprüfen, ob die Messflächen geschliffen werden können.

Bauteil

o o Messpunkt o Messfläche o

H

h1 > 0.25 H

h1 > 0.25 H

d >

5 cm

d


Bestimmung der Luftpermeabilität Vom Betrieb des Luftpermeabilitäts-Steuergerätes mit Netzstrom ist abzuraten, da die Messung empfindlich auf Netzschwankungen reagiert. Die Saugglocke darf nur so aufgesetzt werden, dass durch die beiden Abdichtungsringe eine Abschottung der Kammern untereinander und gegen aussen gewährleistet ist. Vor dem Aufset-zen der Messglocke auf den Beton ist der rote Hahn an der Regeleinheit zu schliessen, um immer ein vergleichbares Messprozedere (kein Evakuieren des Betons vor dem Messbeginn) zu haben. Die Messwerte sind direkt nach der Messung so auszuwerten, dass Extremwerte erkannt und das geometrische Mittel und die Standardabweichung der Messwerte ohne Extremwerte ange-geben werden können (siehe Punkt Auswertung der Messergebnisse). Werden Extremwerte festgestellt, ist die Anzahl an Messwerten so zu erhöhen, dass 4 Luftpermeabilitätswerte ohne Extremwerte oder insgesamt maximal 6 Luftpermeabilitätswerte bestimmt werden. Bestimmung der Betonfeuchte Da der Einfluss der Betonfeuchte auf die Luftpermeabilität grösser als der Einfluss der Beton-qualität sein kann, ist die „Betonfeuchte“ zu bestimmen. Dies kann beispielsweise durch die Bestimmung des spezifischen elektrischen Widerstandes (z.B. Wenner-Methode) nach der Messung der Luftpermeabilität erfolgen. Der spezifische elektrische Widerstand ist an den Stel-len, an denen die Luftpermeabilität gemessen wurde, zu bestimmen. Die Wennersonde ist pro Stelle in einem Winkel von ca. 45° zur Lage der Bewehrung und 90° senkrecht dazu aufzuset-zen, um den Einfluss der Bewehrung auf die Messung zu minimieren. Ist der bei ca. 20 °C gemessene spezifische elektrische Widerstand von Beton höher als ca. 10 - 20 kΩcm kann davon ausgegangen werden, dass der Beton ausreichend trocken für die Bestimmung der Luftpermeabilität ist. Liegt der bei ca. 20 °C gemessene, spezifische elektri-sche Widerstand unter ca. 10 - 20 kΩcm, kann die Luftpermeabilität beeinflusst werden; das Ausmass der Beeinflussung ist bisher nicht zuverlässig quantifizierbar. Alle Messgrössen zur Abschätzung der Betonfeuchte und die Messmethode sind im Prüfbericht anzugeben. Wird der spezifische elektrische Widerstand bei einer Temperatur < 15 °C gemessen, ist dieser auf 20 °C umzurechnen. Als Faustformel kann folgende Beziehung verwendet werden:

• pro °C Temperaturerniedrigung erhöht sich der spezifische elektrische Widerstand um 5 %.

Sofern der Temperatureinfluss genauer bekannt sein muss, ist dieser am Beton zu bestimmen. Alternativ oder zusätzlich kann die Betonfeuchte auch mit kapazitiv arbeitenden oder anderen Messgeräten bestimmt werden. Beim dem hier verwendeten Messgerät sollte die kapazitiv be-stimmte Betonfeuchte19 weniger als 5.5 - 6.0 M.-% sein, damit der Beton für die Luftpermeabili-tätsmessungen ausreichend trocken ist. Bestimmung der Temperatur Die Betontemperatur und/oder die Lufttemperatur sind zu bestimmen.

19 Im Rahmen der eigenen Messungen wurde die kapazitiv bestimmte Betonfeuchte mit einem Messge-rät der Fa. Tramex (Moisture Encounter siehe Abbildung 32 auf S. 31) bestimmt. In wie weit die Mess-werte gerätespezifisch sind, kann nicht beurteilt werden. D.h. andere Messgeräte ergeben eventuell andere Werte.


Muster für Prüfprotokoll Prüfprotokoll Luftpermeabilität nach Norm SIA 262/1, Anhang E Allgemeine Angaben Auftraggeber:…………………………………………………………………………………………… Objekt:…………………………………………………………………………………………………… Bauteil, Etappe………………………………………………………………………………………….. Betonzusammensetzung:……………………………………………………………………………… Alter des Bauteils:………………………………………………………………………………………. Bauteil Witterung ausgesetzt (Exposition)?............................................................................... Wetter letzten 2 Tage:………………………………………………………………..……………….. Wetter Messtag: ………………….............................................................................................. Luft-/Bauteil-Temperatur: um …. Uhr:………°C um …… Uhr ……….. °C Messung am ………… von ………….. bis …………. Uhr Messung durchgeführt von: ………………………………Firma: …………..……………………… Behandlung der Oberfläche (z.B. entgraten):…………………………………………. Bemerkungen (Vorhandensein von Rissen, Oberflächenschutzsystemen, etc.): ….……………… …………………………………………………………………………………………….……………… …………………………………………………………………………………………….………………

Lage Mess-stelle [-]

Abstand von …… [m]

Höhe ab Boden [m]

Mess-Nr. [-]

Luftperme-abilität

[10-16 m2]

spez. elektr. Widerstand

[kΩcm]

Bemerkungen

Zusammenfassung

Messstellen [-]

mittl. Luftperme-abilität [10-16 m2]

Standardab-weichung [m2]

spez. elektr. Wi-derstand [kΩcm]

Bemerkungen

Mittlere Luftpermeabilität: 10^log[(Messwert 1) + … + log(Messwert n)]/n Standardabweichung Luftpermeabilität: Standardabweichung log[(Messwert 1) + … + log(Messwert n)] Zur Veranschaulichung der Messstellen und Messflächen auf den Bauteilen kann eine Skizze vorteilhaft sein. Werden die Messwerte um den Einfluss der Temperatur korrigiert, sind die Messwerte vor und nach der Korrektur anzugeben.


Auswertung der Messergebnisse Aus den mindestens 4 Messwerten sind das geometrische Mittel und die Standardabweichung zu berechnen. Das geometrische Mittel GM wird wie folgt aus den Messwerten k1, k2, …, kn berechnet:

nnkkkGM ⋅⋅⋅⋅= 21

Die Standardabweichung σ∗ ist aus den logarithmierten Messwerten [log(X.Y ⋅10-16 m2)] zu bestimmen. Liegen einzelne Luftpermeabilitätsmesswerte um den Faktor 10 höher oder tiefer als das geo-metrische Mittel, liegen Extremwerte vor. Werden Werte als Extremwerte qualifiziert und bei der Auswertung nicht berücksichtigt, sind diese ebenfalls bei den Messwerten anzugeben; zu-sätzlich ist anzugeben, ob Weiteres auf Extremwerte hindeutet. Anforderungen an die Luftpermeabilität Werden Anforderungen an die Luftpermeabilität von geschalten Flächen bei Neubauten ge-stellt, können die Richtwerte von Tabelle B- 1 herangezogen werden. Für ungeschalte, z.B. abgezogene Flächen liegen zu wenige Informationen vor, um Richtwerte vorzuschlagen. Da bisher erst beschränkte Erfahrungen mit der Methode vorliegen, ist es von Vorteil, wenn im Rahmen von Vorversuchen der Nachweis geführt wird, dass die Richtwerte von Tabelle B- 1 auch bei dem Bauteil eingehalten werden können. Werden die geforderten Luftpermeabilitäten (geometrischer Mittelwert) nicht eingehalten (überschritten), ist am gleichen Bauteil die Anzahl der Messwerte ohne Extremwerte im Vergleich zur ursprünglichen Forderung zu verdoppeln. Werden auch dann die geforderten Luftpermeabilitätswerte (geometrischer Mittelwert) nicht eingehalten (überschritten), ist zu beurteilen, ob zusätzliche Prüfverfahren (z.B. Bestimmung der Wasserleitfähigkeit) an aus dem Bauteil zu entnehmenden Bohrkernen zur weiteren Beur-teilung der Bauteilqualität zweckmässig sind, ein Oberflächenschutzsystem aufzutragen ist oder andere Massnahmen getroffen werden sollen.

Tabelle B- 1: Vorgeschlagene Richtwerte für die maximale Luftpermeabilität (Anzeige auf dem Gerät, d.h. ohne porositätsbedingte Korrektur) von geschalten Flächen in Abhängigkeit von der Expositionsklasse und dem maximalen w/z-Wert der Tabelle NA.3 der SN EN 206-1; zusätzlich sind Mittelwerte für eine Standardabweichung σ∗ von 0.4 m2 angegeben, welche anzustreben sind, damit mit ca. 85 %-tiger Wahrscheinlichkeit alle Messwerte kleiner als der Maximalwert sind.

Luftpermeabilität Maximalwert Mittelwert bei

σ∗ = 0.4



Zur Konformitätsbeurteilung, d.h. Beurteilung, ob die Messwerte die Anforderungen erfüllen, gilt folgender Ansatz: log (kTgeometrisches Mittel) + σ∗ ≤ log(kTMaximalwert)


Ausschreibung Der zeitliche Aufwand für die Messungen hängt stark von der Zugänglichkeit der einzelnen Messstellen ab. Folglich ist anzugeben, wie nahe (Distanz in Meter) an das zu untersuchende Bauteil gefahren werden kann, ob vom Abstellplatz des Fahrzeuges ein ungehinderter, eben-erdiger Zugang zum Bauteil besteht (bzw. falls dies nicht zutrifft, wie die Situation sonst aus-sieht), ob die Messstellen (die Messflächen auf dem Bauteil) vom Boden (d.h. max. 2 m Höhe) oder Gerüst etc. aus zugänglich sind und ob Strom (220 V für den Betrieb der Vakuumpumpe) vor Ort und in welcher Entfernung vorhanden ist. Beispiel für Ausschreibungstext: Am Bauwerk … ist an der Wand … , Etappe …. (siehe beiliegende Skizze) die Luftpermeabili-tät nach SIA 262/1, Anhang E, zu bestimmen. An 4 Stellen ist die Luftpermeabilität an der Wand zu messen, wobei jeweils ein Mindestabstand von 0.5 m von allen vier Rändern der Wand ein-zuhalten ist. Zusätzlich ist zwischen den einzelnen Messstellen ein Mindestabstand von jeweils 0.5 m einzuhalten. Zur Wand kann direkt mit einem Fahrzeug gefahren werden. Eine Leiter oder ein Gerüst sind für die Messungen nicht notwendig. Ein 220 V-Stromanschluss ist vor Ort innerhalb eines Radius von 30 m vorhanden und kann benutzt werden. Die Prüfflächen sind vor der Messung mit einer Bürste trocken abzubürsten. Die Messstellen sind auf mindestens 10 cm genau nachvollziehbar einzumessen. Ergeben sich bei den Luftpermeabilitätsmessungen mehr als 1 Extremwert, sind weitere Luft-permeabilitätsmessungen vorzunehmen, bis entweder 4 Messwerte ohne Extremwert oder ma-ximal 6 Messungen erfolgten. Um dies zu beurteilen, sind die Messungen vor Ort entsprechend auszuwerten. Da das Bauteil bewittert ist, dürfen die Messungen vor Ort nur ausgeführt werden, wenn an den zwei Tagen vor der Messung und am Tag bis zum Abschluss der Messung kein Niederschlag stattfand und die Lufttemperatur zum Zeitpunkt der Messung mindestens 5 °C beträgt. D.h. der Messtermin ist mit der Bauleitung abzusprechen und hat im Zeitraum von … bis … zu liegen. An jeder Messstelle für die Luftpermeabilität ist die Betonfeuchte, z.B. mit einem Gerät zur Be-stimmung des spezifischen elektrischen Widerstandes, zu bestimmen. Mindestens zu Beginn und am Ende der Messungen ist die Lufttemperatur zu bestimmen. Der Prüfbericht muss folgendes enthalten:

• Art der Vorbereitung der Messstellen • eindeutige Lage der Messstellen • Datum, Uhrzeit, Ausführender der Messungen • alle Messwerte (Luftpermeabilität, Betonfeuchte etc.) • geometrische Mittelwerte und Standardabweichungen • ggf. Besonderheiten


Pos. Bezeichnung Einheit Ausmass Einheitspreis Betrag 1 Planung, Durchführung und Interpreta-

tion der Luftpermeabilitätsmessungen inkl. Messung der Lufttemperatur, des Feuchtegehaltes an jeder Stelle, an der die Luftpermeabilität bestimmt wurde, mit Berichterstattung: Anzahl Messun-gen.

[-]

1.1 Arbeitsaufwand An-, Abreise [-] 1.2 Arbeitsaufwand Zugang, Einrichten

(Warmlaufen lassen Messgerät), einfa-ches Vorbereiten der Messstelle (Ab-bürsten, etc.); Bestimmung Lufttempe-ratur

[-]

1.3 aufwändigeres Vorbereitung der Mess-stellen wie Entgraten, Bestimmung Be-wehrungsüberdeckung etc.

[-]

1.4 Arbeitsaufwand Planung, Durchfüh-rung, Auswertung von je 4 Luftpermea-bilitäts- und Betonfeuchtemessungen

[-]

1.5 Durchführung einer zusätzlichen Luft-permeabilitäts-, Betonfeuchtemessung

[-]

1.6 Gerätepauschale für Einsatz [Fr.] 1.7 weitere Spesen wie z.B. Fahrtspesen [Fr.]

Luftpermeabilität als Kenngrösse für die Betonqualität Anhang C

Anhang C: Prüfberichte zu den Luftpermeabilitätsmessungen vor Ort

Neubau: Brücke 1, 2, 3, 4, 5 Hochbau 1, 2, 3, 4 Stadion 1 Tunnel 1, 2, 3, 4, 5, 6 Daten aus Torrent & Frenzer 1995

Ältere Bauwerke: Stützwand 10 Brücke 10, 11, 12, 13 Tunnel 10, 11 Hochbau 10 Daten aus Torrent & Frenzer (1995) Verschiedenes: Daten aus Hunkeler et al. (2002) zu älteren Bauwerken, Laborbeton, Neubau


Daten aus Torrent Frenzer (1995)

Bauwerk

Luftper-meabilität [10-16 m2]

Standard-abwei-chung [m2]

spez. e-lektr. Wi-derstand [kΩcm]

w/z aus fc

[-] fcm,Bohrkern

[MPa] Alter

[Jahre]

Karbonatisierungs-tiefe** [mm]

Brücke Oensingen

0.12/0.03* 1.33/0.70* 50 0.50 79.2 40

0.5/25/7

Unterfüh-rung Z 64 0.81/0.33 1.06/0.71* 20

Brücke Gärt-nerstrasse

0.91/0.62* 0.74/0.52* 0.60 62.3 60

0/61/30

*ohne Extremwerte **minimale/maximale/mittlere


Daten aus Hunkeler et al. 2002, Anhang 1c Bauwerksbeton (ältere Bauwerke)

Cl in 0-10 mm [M.-%] Bauwerk

Sau

erst

off-

perm

eabi

lität

kO

[10

-16 m

2 ]

geom

. M

ittel

wer

t kO

[1

0-16 m

2 ]

Sta

ndar

dabw

eich

ung

σ*[m

2 ]

w/z

aus

f c, U

E

[-]

f cm,B

ohrk

ern [M

Pa]

Alte

r [a]

Was

serle

itfäh

igke

it q W

[g

/m2 ⋅h

]

füllb

are

Por

ositä

t U

E[V

ol.-%

]

bzgl. Beton bzgl. CEM

6.7 1.88 0.88 0.52 67.3 40 4.2 9.3 0.166 1.3 5.5 Fahrbahnplatte

Hergiswil 0.18 0.36 0.385 0.13 0.55 61.1 40 4.2 9.9 0.071 0.6 0.30 Hohlkasten Her-

giswil 0.53 0.60 0.236 0.37 0.50 72.2 40 3.6 10.2 0.20

Arsenal Stützen 0.11 1.53 2.069 0.20 0.45 84.2 39 1.35 7.8 0.14 1.1 1.64

Kirchberg Stützen 3.53 0.35 0.818 0.55 0.78 19.7 38 6 17 0.085 0.7 0.45

Schluochtbrücke 3.47 0.17 0.07 0.34 0.56 59.8 31 5.4 10.9 0.032 0.3 0.05 Runcasut Fahr-

bahnplatte 0.04 0.06 0.039 0.26 0.55 62.8 33 7.05 10.7 0.041 0.3 0.05

Zuchwil Stütze 0.02 0.06 0.164 0.40 0.52 63.1 33 4.65 8.8 0.239 1.9 0.37 Hardstrasse Pfei-

ler 0.20 0.15 0.247 0.29 0.53 65.6 23 3.6 10.2 0.01 0.1 0.19

Göschenen 0.53 Laborbeton / Bauwerksbeton (Neubau)

28 Tage 90 Tage 365 Tage

Bezeichnung kO [10-16 m2]

Cl-Migrations-koeffizient [10-12 m2/s]

kO [10-16 m2]


kO [10-16 m2]


Laborbeton A 0.55 14.1 0.68 15.4 0.69 10.4 B 0.11 11.5 0.15 12.1 0.09 9.3 C 0.15 7.9 0.1 9.7 0.1 7.9 C(W) 0.06 7.3 0.09 8.7 0.016 6.2 G 0.49 19.7 0.39 23 0.38 22.5 Bauwerk Compogna 0.39 16.8 0.45 12.3 Compogna 0.17 18.1 0.27 12.2 Nesslaboden 0.62 13.8 0.45 17.7

Luftpermeabilität als Kenngrösse für die Betonqualität Anhang D-1

Anhang D: Weitere Angaben zu den Untersuchungen Abbildung D- 1: Einfluss der Lagerungsfeuchte auf die Feuchte des bei 50 °C (oben) und bei

105 °C (unten) getrockneten Bohrmehls von Laborbeton Abbildung D- 2: Zusammenhang zwischen der bei 50 und 105 °C-Trocknung bestimmten

Betonfeuchte in Abhängigkeit von der Betonart für 0 - 30 mm Tiefe (unten) für alle Messzeitpunkte (28, 90, 365 Tage) bei Laborbeton

Abbildung D- 3: Laborbeton Abbildung D- 4: Kapazitiv bestimmte Betonfeuchte und "berechneter Wassergehalt" in

Abhängigkeit von der Lagerungsfeuchte (oben) und der Betonsorte (unten) bei Laborbeton Abbildung D- 5: Zusammenhang zwischen dem bei 20 °C bestimmten spezifischen

elektrischen Widerstand und dem am Bohrmehl bestimmten Wassergehalt nach 50 °C und 105 °C-Trocknung

Abbildung D- 6: Luftpermeabilitäten, normiert auf die Messungen bei 50 % r.F. nach 28 (oben, 90 (Mitte) und 365 (unten) Tagen bei Laborbeton; zusätzlich sind pro Lagerungsfeuchte die Mittelwerte pro Messzeitpunkt und über alle Messzeitpunkte eingetragen

Abbildung D- 7: Einfluss der Temperatur auf die Luftpermeabilität bei Laborbeton Abbildung D- 8: Einfluss der Lagerungsdauer und -feuchte sowie der Betonart auf die bei 20 °C

gemessene Luftpermeabilität; farblich sind die Bereiche eingerahmt, die auf Grund von Jacobs (1999) von Beton mit den angegebenen w/z-Werten erreicht werden können.

Abbildung D-9: Ergebnisse von Luftpermeabilitätsmessungen in Tunnel 4 und 5; Betonalter 1.5 Monate bis fast 2 Jahre; kapazitiv bestimmte Betonfeuchte ≥ 6.5 M.-%; spez. elektr. Widerstand: 7 - 25 kΩcm

Abbildung D- 10: Luftpermeabilität und w/z-Werte aller untersuchten Objekte, aufgeschlüsselt nach der Verwendung mit/ohne Zusatzstoffe bei Beton aus Neubauten

Abbildung D- 11: Luftpermeabilität und Chloridleitfähigkeit von Beton aus vier Bauteilen eines Neubauobjektes; Daten aus Leemann et al. 2006

Abbildung D- 12: Mittlere Luftpermeabilität in Abhängigkeit vom spezifischen elektrischen Widerstand bei Beton aus älteren Bauwerken

Abbildung D- 13: Mittlere Luftpermeabilität in Abhängigkeit von der kapazitiv bestimmten Betonfeuchte bei Beton aus älteren Bauwerken

Abbildung D- 14: Spezifischer elektrischer Widerstand (oben) und kapazitiv bestimmte Betonfeuchte (unten) in Abhängigkeit von der Lufttemperatur bei Beton aus älteren Bauwerken

Abbildung D- 15: Luftpermeabilität in Abhängigkeit von der füllbaren Porosität, bestimmt nach SIA 262/1 bei Beton aus älteren Bauwerken

Tabelle D- 1: Sauerstoffpermeabilität und Trockenrohdichte, gemessen an 1 Jahr alten Beton,

der drei Tage bei 105 °C getrocknet wurde;


Die nach Trocknung bei 50 °C bestimmte Bohrmehlfeuchte lag zwischen 0.5 und 2.0 M.-% und die bei 105 °C bestimmte zwischen 1 und 3 M.-%, bezogen auf die jeweilige Trockenmasse (Abbildung D- 1). Mit zunehmender Lagerungsfeuchte nahm der Wassergehalt zumeist zu und mit zunehmender Lagerungsdauer ab. Teilweise treten Abweichungen davon auf, die auf In-homogenitäten des Betons oder die (Un)Genauigkeit der Bestimmung hinweisen.

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

50 °C

Boh

rmeh

lfeuc

hte

[M.-%

]

A 50%B 70%C 90%

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

28Tage

90Tage

365Tage

28Tage

90Tage

365Tage

28Tage

90Tage

365Tage

28Tage

90Tage

365Tage

28Tage

90Tage

365Tage

28Tage

90Tage

365Tage


105

°C B

ohrm

ehlfe

ucht

e [M

.-%]

A 50%B 70%C 90%

Abbildung D- 1: Ein-fluss der Lagerungs-feuchte auf die Feuchte des bei 50 °C (oben) und bei 105 °C (unten) ge-trockneten Bohr-mehls von Laborbe-ton.

Die Betone weisen gemäss Tabelle 7 auf S. 33 Anmachwassergehalte zwischen 136 und 162 l auf. D.h. am Anfang enthalten die Betone ca. 6 M.-% an Wasser. Durch die Trocknung verrin-gert sich der Wassergehalt: Gemäss Locher (2000) wird ca. das 0.23fache der Zementmasse an Wasser chemisch so gebunden, dass dieses nicht durch Trocknung bei 105 °C entfernt werden kann. Durch Trocknung bei 105 °C kann eine Wassermenge, die dem 0.17fache der Zementmasse entspricht, ausgetrieben werden. Im Maximum entspricht dieses 0.17fache etwa 2 M.-% vom Beton. Zu dieser Wassermenge ist noch die Wassermenge zu addieren, die vor allem in den Kapillarporen vorhanden ist und bereits bei 50 °C-Trocknung ausgetrieben werden kann. Gemäss Abbildung 12 auf S. 15 sind bei Beton bei einer Lagerungsfeuchte von 90 % ca. 60 % (und bei 50 % ca. 30 %) der Poren mit Wasser gefüllt. Bei 90 % r.F. gelagerter Beton mit einer Gesamtporosität von 12 Vol.-% und einer Trockenrohdichte von 2300 kg/m3 wiese demnach bei 90 % r.F. eine Betonfeuchte in den Poren von ca. 320 M.- % (bzw. bei 50 % von 1.5 M.-%) auf. Beim Bohrmehl sollten sich folglich nach 50 °C-Trocknung Wassergehalte von ca. 1.5 bis 3 M.-% und nach 105 °C-Trocknung um 2 M.-% höhere Gehalte, d. h von ca. 3.5 - 5


M.-% ergeben. Sowohl die bei 50 °C bestimmten Bohrmehlfeuchten (0.5 - 2 M.-%) als auch die bei 105 °C bestimmten (1 - 3 M.-%) liegen relativ deutlich niedriger als die berechneten. Torrent & Ebensperger (1993) bestimmten ebenfalls gravimetrisch an Bohrmehl den Wasser-gehalt. Sie ermittelten für ähnliche Betone, die während mehr als einem Jahr bei 50 % r.F. und 20 °C gelagert wurden, Wassergehalte (nach 105 °C-Trocknung) zwischen 1.5 und 3.6 M.-%. Diese Wassergehalte sind höher als die hier bestimmten und stimmen auch besser mit den Erwarteten (Berechnung gemäss Locher, siehe oben) überein. Zwischen den Betonfeuchten, bestimmt nach Trocknung bei 50 °C und bei 105 °C, besteht ein Zusammenhang (Abbildung D- 2). Dieser Zusammenhang ist im Wesentlichen unabhängig von den untersuchten Betonarten. In erster Näherung kann damit ausgesagt werden, dass durch Trocknung bei 50 °C etwa 60 % des bei Trocknung bei 105 °C ausgetriebenen Wassers entfernt wird bzw. durch die Erhöhung der Trocknungstemperatur von 50 auf 105 °C wird der Wasseraustrag im Vergleich zur 50 °C-Trocknung fast verdoppelt.

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

105 °C Betonfeuchte [M.-%]

50 °C

Bet

onfe

ucht

e [M

.-%]

0.500.400.50 FA0.50 SS0.600.50 PKZy = 0.6 x

Abbildung D- 2: Zusam-menhang zwischen der bei 50 und 105 °C-Trocknung bestimmten Betonfeuchte in Abhän-gigkeit von der Betonart für 0 - 30 mm Tiefe (un-ten) für alle Messzeit-punkte (28, 90, 365 Ta-ge) bei Laborbeton.


Die kapazitiv bestimmte Betonfeuchte ist im Vergleich zu den unerwartet und unwahrscheinlich tiefen Werten der Bohrmehlfeuchten

• etwa 3 - 8fach höher als die an Bohrmehl bestimmte Feuchte nach Trocknung bei 50 °C (Abbildung D- 3) und

• etwa 2 - 4fach höher als bei Trocknung bei 105°C (Abbildung D- 3).

1

2

3

50 °C

-Feu

chte

[M.-%

]

0.50 PKZ0.600.50 SS0.50 FA0.500.40

Abbildung D- 3: Laborbeton oben: Bei 20 °C kapazitiv be-stimmte Betonfeuchte und bei 50 °C bestimmte Bohr-mehlfeuchte; gestrichelt ist die Linie eingetragen, die sich bei übereinstimmen-den Messwerten von bei-den Methoden ergeben sollte

0

1

2

3

0 1 2 3 4 5 6 7


105

°C-F

euch

te [M

.-%]

0.50 PKZ0.600.50 SS0.50 FA0.500.40

unten: Bei 20 °C kapazitiv be-stimmte Feuchte und bei 105 °C bestimmte Bohr-mehlfeuchte; gestrichelt ist die Linie eingetragen, die sich bei übereinstimmen-den Messwerten von bei-den Methoden ergeben sollte.


Ob die kapazitiv ermittelten Messwerte plausibel sind, wurden nachfolgende Abschätzungen vorgenommen werden: Gemäss Locher (2000) enthält vollständig hydratisierter Zement nach einer Trocknung bei 105 °C ungefähr eine Wassermenge vom 0.23fachen der Zementmasse. Werden die im Beton nach 105 °C-Trocknung bestimmten Wassergehalte und die "chemisch gebundenen" Wassergehalte (0.23 x Zementmasse21) addiert (= "berechneter Wassergehalt") und der kapazitiven Betonfeuchte gegenüber gestellt, ergibt sich Abbildung D- 4. Grundsätz-lich liegen der "berechnete" und der kapazitiv bestimmte Wassergehalt in einem ähnlichen Be-reich. Die kapazitive Feuchtemessung ergibt bei trockenem Beton (gelagert bei 20 °C, 50 % r.F.) zumeist niedrigere und bei feuchtem Beton (20 °C, 90 % r.F.) zumeist höhere Werte im Vergleich zur Berechnung. Werden die Daten nach Betonsorte aufgeschlüsselt, ergibt sich für jede Betonsorte ein eigener Zusammenhang. Dies ist plausibel, da der Wassergehalt im Beton vom Bindemittel (Art, Menge) und der Porengrössenverteilung abhängt.

50 %: y = 0.2428x + 3.1907

R2 = 0.0663

90 %: y = -0.3726x + 7.316

R2 = 0.0186

70 %: y = 0.0623x + 4.9031

R2 = 0.0108

0

1

2

3

4

5

6

7

kapa

zitiv

e B

eton

feuc

hte

[M.-%

]

90 %70 %50 %

0.40: y = 1.0011x + 0.2865R2 = 0.4749

0.60: y = 0.6146x + 3.0101

R2 = 0.2385y = 1.0781x + 1.437

R2 = 0.2652

SS: y = 0.856x + 1.1

R2 = 0.3595

PKZ: y = 0.697x + 2.4137R2 = 0.1799

FA: y = 1.7303x - 1.3894R2 = 0.8752

0

1

2

3

4

5

6

7

0 1 2 3 4 5 6 7

berechnete Betonfeuchte [M.-%]

kapa

zitiv

e B

eton

feuc

hte

[M.-%

]

0.50 FA0.500.400.50 SS0.600.50 PKZ

Abbildung D- 4: Kapazitiv be-stimmte Beton-feuchte und "be-rechneter Was-sergehalt" in Abhängigkeit von der Lage-rungsfeuchte (oben) und der Betonsorte (un-ten) bei Laborbe-ton.

21 Annahmen: Silikastaub wird zu 100 %, Flugasche zu 40 % der Zementmasse zugerechnet. Der Hydratationsgrad beträgt 1 (obwohl er bei etwa 0.6 bis 0.9 liegt; würden die tatsächlichen Hydratati-onsgrade berücksichtigt werden, lägen die berechneten Betonfeuchte ca. 10 - 20 % niedriger).


Wird der spezifische elektrische Widerstand gegenüber der Bohrmehlfeuchte aufgetragen, zei-gen sich die in Abbildung D- 5 dargestellten Zusammenhänge: Zwischen der bei 50 °C be-stimmten Betonfeuchte und dem spezifischen elektrischen Widerstand ergeben sich ähnliche Zusammenhänge bezüglich dem Korrelationskoeffizienten wie bei der 105 °C-Betonfeuchte. Dies ist erstaunlich, da erwartet werden könnte (Hunkeler 1994), dass zwischen dem "leicht beweglichen Wasser" (entspricht ungefähr demjenigen nach 50 °C Trocknung) und dem spezi-fischen elektrischen Widerstand ein engerer Zusammenhang als zwischen dem gesamten Wassergehalt (entspricht ungefähr demjenigen nach 105 °C Trocknung) und dem spezifischen elektrischen Widerstand bestehen könnte. Werden die Zusammenhänge nach Betonsorte auf-geschlüsselt, zeigen sich teilweise sehr enge Zusammenhänge (z.B. Beton mit 0.50 und SS), wobei auch hier die Zusammenhänge zwischen dem spezifischen elektrischen Widerstand und der Bohrmehlfeuchte bei beiden Trocknungstemperaturen ähnlich beim Korrelationskoeffizien-ten sind. Eine Erklärung für dieses unerwartete Verhalten könnten die zu tiefen Bohrmehlfeuch-ten sein.

y = -0.3756Ln(x) + 3.3839R2 = 0.7635

y = -0.1238Ln(x) + 1.3602R2 = 0.164

y = -0.2326Ln(x) + 1.9078R2 = 0.363

y = -0.3009Ln(x) + 1.9048R2 = 0.5675

y = -0.097Ln(x) + 1.5387R2 = 0.2014

0 0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

50 °C

-Feu

chte

[M.-%

]

0.50 PKZ0.600.50 SS0.50 FA0.500.40

y = -0.3434Ln(x) + 3.2816R2 = 0.6172

y = -0.222Ln(x) + 2.3939R2 = 0.2094

y = -0.5741Ln(x) + 5.1089R2 = 0.8581

y = -0.4674Ln(x) + 3.1825R2 = 0.6303 y = -0.3186Ln(x) + 2.9304

R2 = 0.3165

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

10 100 1000


105

°C-F

euch

te [M

.-%]

0.50 PKZ0.600.50 SS0.50 FA0.500.40

Abbildung D- 5: Zusammenhang zwischen dem bei 20 °C be-stimmten spezi-fischen elektri-schen Wider-stand und dem am Bohrmehl bestimmten Wassergehalt nach 50 und 105 °C-Trocknung.

Wird die Luftpermeabilität, die an bei 70 und 90 % r.F. gelagerten Prüfkörpern bestimmt wurde, auf diejenige normiert, die an den bei 50 % r.F. gelagerten Prüfkörpern bestimmt wurde, erge-ben sich je nach Betonalter unterschiedliche Kurvenverläufe (Abbildung D- 6). Eine bei einer


Lagerungsfeuchte von 70 % r.F. ermittelte relative Permeabilität von 1 bedeutet, dass die Per-meabilität bei 70 % r. F. identisch zu derjenigen bei 50 % r.F. wäre.

• Bei einem Betonalter von 28 Tagen lag die bei 70 % r.F. gemessene Luftpermeabilität im Mittel 70 % höher (relative Permeabilität von 1.7 in Abbildung D- 6 oben) als die bei 50 % r. F. gemessene. Die bei 90 % r.F. gemessene Luftpermeabilität war im Mit-tel sehr ähnlich zu der bei 50 % r.F. gemessenen.

• Beim Betonalter von 90 Tagen nahmen im Mittel die Luftpermeabilitäten mit zuneh-mender Lagerungsfeuchte um ca. 30 % (70 % r.F.) und 60 % (90 % r.F.) im Vergleich zur Messung bei 50 % r.F. ab (Abbildung D- 6 Mitte).

• Beim höchsten untersuchten Probenalter (365 Tage) nahm die Luftpermeabilität noch deutlicher als bei einem Alter von 90 Tagen mit zunehmender Lagerungsfeuchte ab (Abbildung D- 6 unten).

0 0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

rela

tive

Perm

eabi

lität

[-]

0.50 mit 80 kg FA0.600.50 mit PKZ0.400.50 mit 25 kg SS0.50Mittelwert 28 -365 Tage, 50 % r.F.Mittelwert 28 Tage, 50 %

28 Tage

0 0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

rela

tive

Perm

eabi

lität

[-]

0.50 mit 80 kg FA0.600.50 mit PKZ0.400.50 mit 25 kg SS0.50Mittelwert 28 - 365 Tage, 50 % r.F.Mittelwert 90 Tage, 50 % r.F.

90 Tage

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

relative Lagerungsfeuchte [%]

rela

tive

Perm

eabi

lität

[-]

0.50 mit 80 kg FA0.600.50 mit PKZ0.400.50 mit 25 kg SS0.50Mittelwert 28 - 365 Tage, 50 % r.F.Mittelwert 365 Tage, 50 % r.F.

365 Tage

Abbildung D- 6: Luft-permeabilitäten, nor-miert auf die Mes-sungen bei 50 % r.F. nach 28 (oben, 90 (Mitte) und 365 (un-ten) Tagen bei La-borbeton; zusätzlich sind pro Lagerungs-feuchte die Mittelwer-te pro Messzeitpunkt und über alle Mess-zeitpunkte eingetra-gen.


0.01

0.1

1

10

28 90 365 28 90 365 28 90 365 28 90 365 28 90 365 28 90 365

0.40 0.50 0.60 0.50 FA 0.50 SS 0.50 PKZ

Luftp

erm

eabi

lität

[10-1

6 m2 ]

5 °C20 °C30 °C

Abbildung D- 7: Einfluss der Temperatur auf die Luftpermeabilität bei Laborbeton.

In Abbildung D- 8 ist die Entwicklung der Luftpermeabilität (ohne Korrektur der effektiven Po-rosität) in Abhängigkeit von der Zeit für die verschiedenen Betonsorten und Lagerungs-bedingungen dargestellt. Zusätzlich ist gemäss Tabelle 3 (S. 4) dargestellt, welche Gasperme-abilitäten bei Beton mit welchen w/z-Werten bei guter Nachbehandlung erzielt werden können. Beton mit einem w/z-Wert von

• 0.40 wies bei allen Lagerungsbedingungen eine Luftpermeabilität von < 0.1⋅10-16 m2 auf, d.h. lag im Bereich des Erwarteten.

• 0.60 wies bei allen Lagerungsbedingungen bis zum Alter von 90 Tagen eine im Ver-gleich zur Erwartung tiefere Luftpermeabilität von ≤ 0.5⋅10-16 m2 auf. Bei einer Lage-rungsfeuchte von 50 und 70 % und einen Probenalter von 365 Tagen lag die ermittelte Luftpermeabilität bei etwa 1⋅10-16 m2, d.h. dort, wo die Werte erwartet wurden.

• 0.50 mit Zement CEM I und ohne Zusatzstoffe wies je nach Lagerungsbedingung, un-terschiedliche Luftpermeabilitäten auf:

• Bei einer Lagerungsfeuchte von 70 und 90 % r.F. wurden Luftpermeabilitäten gemessen, die von Beton mit einem w/z-Wert von ≤ 0.40 zu erwarten wären.

• Bei einer Lagerungsfeuchte von 50 % r.F. nahm die Luftpermeabilität vom Be-reich 0.40 ≤ w/z ≤ 0.50 bis zum Bereich 0.50 ≤ w/z ≤ 0.60 zu.

• 0.50 mit Zement CEM I und mit Flugasche (FA) oder Silikastaub (SS) wiesen Luft-permeabilitäten auf, die deutlich durch die Lagerungsbedingungen beeinflusst wurden:

• Bei einer Lagerungsfeuchte von 70 und 90 % r.F. wurden Luftpermeabilitäten gemessen, die von Beton mit w/z-Werten von 0.40 - 0.50 zu erwarten wären.

• Bei einer Lagerungsfeuchte von 50 % r.F. nahm die Luftpermeabilität mit zu-nehmendem Alter vom Bereich (0.40 ≤ w/z ≤ 0.50) bis zum Bereich (0.50 ≤ w/z ≤ 0.60) zu.

• 0.50 mit Portlandkalksteinzement (PKZ) wies • bei einer Lagerung bei 70 und 90 % r.F. und einem Probenalter von maximal 90

Tagen eine Luftpermeabilität auf, die Beton mit einem w/z-Wert zwischen 0.50 und 0.60 entspricht. Beim Probenalter von 365 Tagen wurde der Bereich über-schritten.

• bei einer Lagerung bei 90 % r.F. eine Luftpermeabilität in dem Bereich von Be-ton mit einem w/z-Wert von 0.40 bis 0.50 auf.


0.01

0.1

1

10

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Alter [d]

Luftp

erm

eabi

lität

[10-1

6 m2 ]

0.50 PKZ 90 % 0.50 PKZ 50 %0.50 PKZ 70 % 0.60 90 %0.60 50 % 0.60 70 %0.50 SS 90 % 0.50 SS 50 %0.50 SS 70 % 0.50 FA 90 %0.50 FA 50 % 0.50 FA 70 %0.50 90 % 0.50 50 %0.50 70 % 0.40 90 %0.40 70 % 0.40 50 %

= 0.40

0.40 - 0.50

0.50 - 0.60

w/z =

> 0.60

Abbildung D- 8: Einfluss der Lagerungsdauer und -feuchte sowie der Betonart auf die bei 20 °C gemessene Luftpermeabilität; farblich sind die Bereiche eingerahmt, die auf Grund von Jacobs (1999) von Beton mit den angegebenen w/z-Werten erreicht werden können.

0.001

0.01

0.1

1

10

87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99

100,

103 10

1

102

104

105

106

107

108

109

110

111

151 N 110 N 109 N 64 N 33 S 317 W 314 W

Block, Messstelle [-]

Luftp

erm

eabi

lität

[10-1

6 m2 ]

EinzelwerteMittelwerte pro Block

Abbildung D-9: Ergebnisse von Luftpermeabili-tätsmessungen in Tunnel 4 und 5; Betonalter 1.5 Monate bis fast 2 Jahre; kapazitiv be-stimmte Beton-feuchte ≥ 6.5 M.-%; spez. elektr. Wider-stand: 7 - 25 kΩcm.


0.001

0.01

0.1

1

10

0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

w/z-Wert [-]

Luftp

erm

eabi

lität

[10-1

6 m2 ]

ohne reaktive Zusatzstoffe

mit FA, HS oder SS

hydrophobiert

Abbildung D- 10: Luftperme-abilität und w/z-Werte aller untersuchten Objekte, aufge-schlüsselt nach der Verwen-dung mit/ohne Zusatzstoffe bei Beton aus Neubauten.

y = -0.5488x + 6.7604R2 = 0.6003

y = -0.5368x + 6.5075R2 = 0.2054

y = -0.2098x + 3.0022R2 = 0.1568

y = -0.1569x + 2.4599R2 = 0.1542

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

9.2 9.4 9.6 9.8 10.0 10.2 10.4 10.6 10.8

Luftpermeabilität [10-11 m/s]

Chl

orid

leitf

ähig

keit

[mS/

cm]

Decke 1Decke 2Wand 1Wand 2

Abbildung D- 11: Luftperme-abilität und Chloridleitfähig-keit von Beton aus vier Bautei-len eines Neu-bauobjektes; Daten aus Leemann et al. 2006.

10

100

1000

0.001 0.01 0.1 1 10 100


spez

. ele

ktris

cher

Wid

erst

and

[kΩ

cm]

Brücken 11Tunnel 11Tunnel 10Brü 10Stützw 10Brü 12Brü 13Hochbau 10Torrent & Frenzer

Abbildung D- 12: Mittlere Luftpermeabili-tät in Abhängig-keit vom spezifi-schen elektri-schen Wider-stand bei Beton aus älteren Bauwerken.


2

3

4

5

6

7

0.001 0.01 0.1 1 10 100


kapa

zitiv

bes

timm

te B

eton

feuc

hte

[M.-%

]

Brücken 11Brücke 10Stützwand 10Brücke 12

Abbildung D- 13: Mittlere Luftper-meabilität in Ab-hängigkeit von der kapazitiv bestimm-ten Betonfeuchte bei Beton aus älte-ren Bauwerken.

0

5

10

15

20

25

1 10 100 1000


Luftt

empe

ratu

r [°C

]

0

5

10

15

20

25

2 2.5 3 3.5 4 4.5 5


Luftt

empe

ratu

r [°C

]

Abbildung D- 14: Spezifi-scher elektri-scher Wider-stand (oben) und kapazitiv bestimmte Be-tonfeuchte (un-ten) in Abhän-gigkeit von der Lufttemperatur bei Beton aus älteren Bau-werken.


8

10

12

14

0.001 0.01 0.1 1 10


füllb

are

Poro

sitä

t [Vo

l.-%

]

Brücke 10

Brücken 11

Brücke 12

Brücke 13

Stützwand 10

Tunnel 11

Hunkeler et al. 2002 Gaspermeabilität

Abbildung D- 15: Luftpermeabilität in Abhängigkeit von der füllbaren Porosität, be-stimmt nach SIA 262/1 bei Beton aus älteren Bau-werken.

Tabelle D- 1: Sauerstoffpermeabilität und Trockenrohdichte, gemessen an 1 Jahr alten Beton, der drei Tage bei 105 °C getrocknet wurde.

Betonsorte 1 2 3 4 5 6 w/z [-] 0.40 0.50 0.50 0.50 0.60 0.50 Kap. Porosität 28/365 d* [Vol.-%] 9.8/8.3 11.2/10.5 9.9/9.4 10.9/11.0 10.4/11.9 - Bindemittel CEM I CEM I CEM I, FA CEM I SS CEM I CEM II Sauerstoffpermeabilität nach 105 °C Trocknung [10-16 m2] A 50 % r.F. mit/ohne Trocknung 0.7/- 1.7/- 1.4/- 1.9/- 1.5/- 2.2/0.4 B 70 % r.F. mit/ohne Trocknung 0.5/- 1.5/- 1.6/- 1.6/- 1.7/- -/0.3 70 % r.F.* (14 d 50 °C) 0.09 0.69 0.24 0.31 0.38 - C 90 % r.F. mit/ohne Trocknung 0.3/- 0.7/- 0.7/- 1.0/- 1.0/- 1.1/0.1 Rohdichte nach 105 °C Trocknung [kg/m3] A 50 % r.F. mit/ohne Trocknung 2391/- 2371/- 2310/- 2276/- 2319/- 2336/2399B 70 % r.F. mit/ohne Trocknung 2376/- 2333/- 2323/- 2294/- 2308/- - /2382 C 90 % r.F. mit/ohne Trocknung 2414/- 2343/- 2325/- 2266/- 2331/- 2313/2407

* aus Hunkeler et al. bei sehr ähnlichen Betonen

Luftpermeabilität als Kenngrösse für die Qualität des ... · Gaspermeabilität: Bestimmung der...

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