Wasser und Beton Ein zwiespältiges Verhältnis

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1 Wasser und Beton Ein zwiespältiges Verhältnis Dr. Andreas Saxer Universität Innsbruck Institut für Konstruktion und Materialwissenschaften Arbeitsbereich Materialtechnologie

2 Janus: römischer Gott des Anfangs und Endes vorwärts und rückwärts blickend der Januskopf: Symbol der Zwiespältigkeit von zwei entgegengesetzten Seiten zeigend

3 ein Blick auf Wasser H 2 O H 0,9664 Å 106 O H 0,9664 Å Ladungsschwerpunkt Massenschwerpunkt elektrischer Dipol flüssig fest (gefroren) gasförmig

4 das Zustandsdiagramm von Wasser Druck [bar] 1,013 fest flüssig gasförmig 0,0061 Tripelpunkt 0 0, Temperatur [ C]

5 das Zustandsdiagramm von Wasser kritischer Punkt 374 C, 221 bar

6 gibt es noch eine Form von festem Wasser? Kristallwasser: Reaktion von flüssigem Wasser mit Reaktionspartnern (z.b. anorganische Pulverstoffe) zu festem Wasser Beispiel Gips Herstellung T = C CaSO 4. 2H 2 O CaSO 4. ½H 2 O + 1½H 2 O Calciumsulfat-Dihydrat CaSO 4. ½H 2 O T = C CaSO4 Reaktion mit Wasser Calciumsulfat-Halbhydrat Anhydrit CaSO 4. ½H 2 O + 1½H 2 O CaSO 4. 2H 2 O stöchiometrisch erforderliche Wassermenge: W/B = 0,186 CaSO 4 + 2H 2 O CaSO 4. 2H 2 O stöchiometrisch erforderliche Wassermenge: W/B = 0,265 H.-B. Fischer, FIB

7 Portlandzement Zementklinkerphasen Tricalciumsilikat (Alit) 3CaO. SiO 2 C 3 S Dicalciumsilikat (Belit) 2CaO. SiO 2 C 2 S Tricalciumaluminat 3CaO. Al 2 O 3 C 3 A Tetracalciumaluminatferrit 4CaO. Al 2 O 3. Fe 2 O 3 C 4 AF Zement nach Mahlung Reaktion mit Wasser C 3 S C 2 S + xh 2O C-S-H (I) C-S-H (II) + yca(oh) 2 Calcium-Silikat-Hydrate Kalkhydrat C 3 A + Gips + Wasser Ettringit Ausbildung des Zementsteins

8 Zementstein C 3 S bzw. C 2 S und Waser Calcium-Silikat-Hydrate und Kalkhydrat Calcium-Silikat-Hydrat Kalkhydrat Stark, Wicht Ettringit

9 Bestandteile des 5-Stoff Systems Beton: Gesteinskörnung Portlandzement Zusatzstoff Wasser Zusatzmittel nicht reaktiv reaktiv mit Wasser reaktiv mit Kalkhydrat und Wasser Portlandzement ist das Herzstück des Betons und ist für die Ausbildung der Eigenschaften Festigkeit und Dauerhaftigkeit des Betons verantwortlich dazu ist Wasser unbedingt notwendig es folgt: ohne Wasser kein Beton

10 Wasser und Beton die andere Seite Zugabewassermenge (ausgedrückt als Verhältnis von Wasser zu Bindemittel W/B) je mehr Wasser, desto höher die Porosität des Zementsteins und desto niedriger die Festigkeitseigenschaften und Dauerhaftigkeit W/B-Wert des Wassers 1. Streich

11 Wasser und Beton die andere Seite Gefrieren des Wassers der Übergang von flüssigem Wasser zu festem, gefrorenen Wasser ab 0 C ist mit einer Volumszunahme von rund 9 Vol-% verbunden Treibwirkung der Zementstein muss vor dieser Einwirkung geschützt werden durch Einbringung von künstlichen Luftporen Anmerkung: der Übergang von flüssigem Wasser zu Kristallwasser ist mit einer Volumsreduktion verbunden des Wassers 2. Streich

12 Wasser und Beton die andere Seite Wasser als Lösungsmittel Wasser besitzt die Fähigkeit, viele Stoffe in unterschiedlicher Menge aufzulösen z.b.: Löslichkeit von Salz (NaCl) 356 g/l Na + + Cl - Löslichkeit von Gips (CaSO 4. 2H 2 O) 2,1 g/l Ca 2+ + SO H 2 O während des Lösungsvorgangs: trübe Lösung wenn Stoff gelöst: klare Lösung gelöste Stoffe sind nicht mehr mit freiem Auge erkennbar Wasseranalyse notwendig

13 Analyse Trinkwasser Reutte ph-wert 7,87 Leitfähigkeit bei 20 C [µs/cm] 391 Calcium [Ca 2+ ] [mg/l] 67,9 Magnesium [Mg 2+ ] [mg/l] 14,3 Natrium [Na + ] [mg/l] 0,7 Kalium [K + ] [mg/l] <0,4 Chlorid [Cl - ] [mg/l] 1,2 Nitrat [NO 3- ] [mg/l] 6,7 Sulfat [SO 2-4 ] [mg/l] 55,3 Gesamthärte [ dh] 12,8 Karbonathärte [ dh] 9,2 Sättigungsindex (Calcit) 0,328 Das Wasser ist hinsichtlich Calcit abscheidend was können gelöste Stoffe bewirken? des Wassers 3. Streich

14 Wasser und Beton die andere Seite gelöste Stoffe im Betonanmachwasser gelöste Stoffe können visuelle Beeinträchtigung des Betons Erhärtungsstörung Betonangriff bewirken

15 visuell beeinträchtigende Stoffe Parameter Öle und Fette Reinigungsmittel Farbe Schwebstoffe Geruch Grenzwerte nur Spuren keine anhaltende Schaumbildung schwach gelblich oder heller max. 4 ml Absetzvolumen kein erhärtungsstörende Stoffe Parameter Grenzwerte Huminstoffe NaOH-Test Zucker mg/l 100 Phosphate (P 2 O 5 ) mg/l 100 Nitrate (NO 3- ) mg/l 500 Zink (Zn 2+ ) mg/l 100 betonangreifende Stoffe Parameter Grenzwerte Sulfat (SO 2-4 ) mg/l 2000 Chlorid (Cl - ) Spannbeton mg/l 500 Stahlbeton mg/l 1000 ohne Bewehrung mg/l 4500 Na 2 O-Äquivalent mg/l 1500

16 Wasser und Beton die andere Seite lösender Angriff auf Beton durch Einwirkung von Wasser Lösung des Zementsteins durch Säuren ph-werte des Wassers im Bereich 6,5 bis 4,0 kalkaggressive Kohlensäure ab 15 mg/l Reaktion mit den Calciumverbindungen des Zementsteins zu Calciumhydrogencarbonat (Ca(HCO 3 ) 2 )

17 Lösung von Kalkhydrat durch austauschfähige Salze Ammonium NH bis 100 mg/l Ca bildet mit dem Anion (z.b. Cl -, NO 3- ) gut wasserlösliche Verbindungen 2NH 4 NO 3 reagiert mit Ca(OH) 2 zu Ca(NO 3 ) 2 (gut löslich) und 2NH 3 und 2H 2 O Magnesium Mg 2+ ab 300 mg/l MgCl 2 reagiert mit Ca(OH) 2 zu CaCl 2 (gut löslich) und Mg(OH) 2 Mg(OH) 2 fällt aus der Lösung aus Lösung von Kalkhydrat durch weiches Wasser Gesamthärte 0 bis 3 d

18 Wasser und Beton die andere Seite Auswirkung des lösenden Angriffs durch Säuren: Abtrag des Zementsteins von der Oberfläche ausgehend und Freilegen des Zuschlags Auswirkung des lösenden Angriffs durch weiches Wasser und austauschfähigen Salzen: Lösung von Kalkhydrat aus dem Zementstein Erhöhung der Porosität und damit Reduktion der Festigkeit des Zementsteins

19 die andere Seite treibender Angriff auf Beton durch Einwirkung von Wasser Sulfat SO 4 2+ Wasser und Beton 200 bis 6000 mg/l Löslichkeit von Gips: 2100 mg/l (20 C) das ergibt eine SO Konzentration von 1172 mg/l (Expositionsklasse XA2) Bildung von sekundärem Ettringit 3CaO. Al 2 O 3. 3CaSO 4. 32H 2 O Thaumasit (bei niedrigen Temperaturen) CaSiO 3. CaCO 3. CaSO 4. 15H 2 O

20 Ettringit Rissbildung im Beton Thaumasit Zerstörung der Calcium-Silikat-Hydrate (C-S-H) und Auflösung des Betons

21 Wasser und Beton die andere Seite Korrosion der Bewehrung im Beton durch Chloride Chloride aus Salzstreuung (NaCl) Karbonatisierung Umwandlung von Kalkhydrat zu Calciumcarbonat Abbau der Alkalinität Chlorid-induzierte Korrosion (keine Karbonatisierung erforderlich) Sauerstoffkorrosion

22 Wasser und Beton die andere Seite Treibreaktionen der Gesteinskörnung Alkali-Silika-Reaktion Reaktion der Alkalien des Zementsteins mit reaktivem SiO 2 zu Alkali-Silika-Gel Dedolomitisierung Freisetzung von MgO im Dolomit und Reaktion zu Mg(OH) 2 Dolomit Seyfarth, Gibson, Stark Mg(OH) 2 Dolomit

23 Wasser und Beton die eine Seite das System anorganische Bindemittel und Wasser wird mit hochstehender Technologie beherrscht. Davon zeugen eine Vielzahl hervorragender Produkte in diesem Bereich. die andere Seite der chemische Angriff von Wasser bzw. den gelösten Inhaltsstoffen ist mittlerweile intensiv auf deren Ursachen untersucht. Die Umsetzung der erforderlichen Maßnahmen müssen in Anbetracht der z.b. im Bereich Infrastrukturbauten auftretenden Schäden allerdings noch verbessert werden. Danke für ihre Aufmerksamkeit