Beton: Kann man Dauerhaftigkeit prüfen?

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1 Beton: Kann man Dauerhaftigkeit prüfen? Von André Hahn und Hagen Uhlig, Karsdorf 1 Einleitung Betonbauteile, die wiederholten Frost-Tau-Wechseln ausgesetzt sind, müssen dauerhaft sein und einen ausreichenden Widerstand gegen diesen Angriff besitzen. Außerdem müssen Betonbauteile, die beispielsweise im Straßenbau eingesetzt werden, einen ausreichenden Frost-Tausalz-Widerstand aufweisen. [1] Weitergehend schreibt DIN CEN/TS (Plattenprüfverfahren als Referenzprüfverfahren) in der Einleitung vor: Um Grenzwerte anwenden zu können, ist es erforderlich, die Korrelation zwischen Laborprüfung und dem Verhalten der Betone in der Praxis zu ermitteln. [1] Genau an dieser Stelle streiten sich heutzutage noch die Fachleute. Es entstanden Konflikte: Betone, die ihre Praxistauglichkeit in Jahrzehnten bewiesen hatten, hielten einzelnen neuen Schnellprüfverfahren nicht stand und wurden damit zum Mangel ohne Schaden einem juristischen und finanziellen Problem für die Betonhersteller. Dem Bestreben, europäische Bauregeln in allen Mitgliedsstaaten einzuführen, stehen unterschiedliche nationale ergänzende Anwendungsregeln gegenüber. Das ist wegen differenzierter klimaabhängiger Beanspruchungen der Betonbauteile nachvollziehbar. Unterschiedlich sind jedoch die zugehörigen Vorschriften auf der Ebene der Bundesländer in Deutschland. Sogar einzelne Städte schreiben eigene Prüfverfahren in Ergänzung zur übergeordneten Landesbehörde vor. Entwickelt sich Deutschland bezüglich dieser Betonprüfungen zur Beurteilung der Dauerhaftigkeit zurück zur Kleinstaaterei? Tafel 1: Vergleich ausgewählter Frost-Tausalz-Prüfverfahren [1, 2, 3] Prüfverfahren DIN CEN/TS Referenzprüfverfahren CDF-Verfahren Prüfvorschrift Prüfrichtlinie Freistaat Sachsen Bundesland alle Bundesländer Freistaat Thüringen Freistaat Sachsen Herstellung der Probekörper Probepräparation Prüffläche DIN EN DIN EN PTFE-Platten 1) DIN EN DIN EN Schneiden der Würfel nach 21 Tagen, Versiegeln der Seitenflächen mit Gummischicht geschnittene Fläche des Würfels Abdichten der Seitenflächen mit selbstklebendem, alukaschierten Butylband oder mit Epoxidharz Seitenfläche des Prüfkörpers (schalseitige PTFE-Platten 1) ) abgezogene Würfeloberfläche + 1 mm umlaufende Seitenfläche Anzahl der Probeköper 4 Probekörper 5 Probekörper 3 Würfel + 3 Würfel für f sp Sättigung vor Frost-Tau- Wechsel-Belastung Beginn der Prüfung nach Herstellung der Probekörper Regelung der Temperatur 1) Polytetrafluorethylen-Platten entionisiertes Wasser auf der Prüffläche, Dauer 3 Tage 3 %ige NaCl-Lösung, Dauer 7 Tage 3 %ige NaCl-Lösung, Dauer 4 Tage 31 Tage 35 Tage 32 Tage 35 Tage in der Prüfflüssigkeit auf der Prüffläche, Genauigkeit: ±,5 K Messpunkt in der Kühlflüssigkeit unterhalb eines Behälters, Genauigkeit: ±,5 K in der Prüflösung eines Probebehälters, mittig im Klimaschrank, Genauigkeit: ± 1 K Abdichten der Seitenflächen mit Epoxidharz abgezogene Würfeloberfläche mindestens 3 Würfel (Prüffläche = 5 cm²) demineralisiertes Wasser, Dauer 6 Tage + 1 Tag komplett unter Wasser Messfühler mittig einbetoniert in gesondertem Prüfkörper Beton-Informationen 3 29 Copyright by Verlag Bau+Technik GmbH, Düsseldorf ( 43

2 2 Vergleich der Prüfverfahren Tafel 1 zeigt den Vergleich der Probekörperherstellung für die Prüfung des Frost-Tausalz-Widerstands. Hier weist das Plattenprüfverfahren die Mitte des Probekörpers als Prüffläche aus, bei der CDF-Prüfung, dem Alternativverfahren nach DIN CEN/TS , sind es die Seitenflächen des Würfels, die bei der Herstellung mit Polytetrafluorethylen-Platten ausgelegt werden. Im Freistaat Sachsen und in Sachsen- Anhalt werden die Oberflächen der Würfel in den Prüfungen beansprucht. Auch bei den Prüfkörpervorbehandlungen weisen die Prüfverfahren im Bezug auf das Medium für die Vorlagerung Unterschiede auf, beginnend von entionisiertem Wasser bis hin zu 3 %igen Natriumchloridlösungen. Der Zeitraum der jeweiligen Probekörpervorlagerung differiert von 3 Tagen bis zu 7 Tagen. Demzufolge unterscheiden sich auch die Zeitpunkte für den Beginn der Prüfungen: Bei dem Referenzprüfverfahren wird nach 31 Tagen geprüft, beim CDF-Verfahren und nach der Prüfrichtlinie des Freistaates Sachsen erst nach 35 Tagen (Tafel 1). Interessant ist auch der Vergleich der verschiedenen Temperaturzyklen (Tafel 2). Liegen die Temperaturbereiche bei allen Prüfverfahren annährend zwischen 2 C und -2 C, variieren jedoch die Zyklen zwischen 1 bzw. 11 Stunden nach dem sächsischen Verfahren, 12 Stunden nach dem CDF-Verfahren und der Prüfvorschrift sowie 24 Stunden nach dem Plattenprüfverfahren je Prüfzyklus, Bild 1. Demzufolge kann ein Nachweis des Frost-Tausalz-Widerstands der Betonsorte für die Erstprüfung nach CDF-Verfahren schon nach 51 Tagen erfolgen. Sollte jedoch das Referenzprüfverfahren der Europäischen Norm gefordert werden, sind 87 Tage im Vorfeld notwendig, um eine Aussage darüber zu erhalten, ob die gewählte Betonzusammensetzung die Anforderung erfüllt. Gemeinsam verwenden alle Verfahren eine 3 %ige Natriumchloridlösung als Prüfflüssigkeit. Jedoch Tafel 2: Vergleich ausgewählter Frost-Tausalz-Prüfverfahren [1, 2, 3] (Fortsetzng von Tafel 1) Prüfverfahren DIN CEN/TS Referenzverfahren CDF-Verfahren Prüfvorschrift Prüfrichtlinie Freistaat Sachsen Bundesland alle Bundesländer Freistaat Thüringen Freistaat Sachsen Prüflösung während der Frost-Tau-Wechsel- Prüfung Aufbringen der Prüflösung Temperaturwechsel von bis 3 %ige NaCl-Lösung 3 %ige NaCl-Lösung 3 %ige NaCl-Lösung 3 %ige NaCl-Lösung Probe mit Prüfflüssigkeit überdeckt +2 C bis -2 C ± 2 K Probe 1 cm eingetaucht +2 C bis -2 C ± 1 K Probe 1 cm eingetaucht +2 C bis -2 C ± 1 K Probe 1 cm eingetaucht Dauer eines Wechsels 24 h 12 h 12 h 1 11 h Anzahl der FTW 56 FTW 28 FTW 5 FTW 56 FTW (Frost-Tau-Wechsel) 2) Dauer der Prüfung = 87 Tage Bestimmung der Abwitterung Grenzwerte Abwitterung: mittlerer Wert nach Einzelwert nach zusätzliches Kriterium abgewittertes Material mit Sprühflasche abfiltrieren und trocknen = 51 Tage lose Partikel, gelöst mittels Ultraschallbad, abfiltriert und getrocknet 56 FTW: 1, kg/m² 28 FTW: 1,5 kg/m² = 57 Tage lose Partikel, gelöst mittels Ultraschallbad, abfiltriert und getrocknet 5 FTW <,15 cm³/cm² Spaltzugfestigkeitsabfall < 25 % +2 C bis -2 C (26) = 58 (61) Tage lose Partikel, gelöst mittels Bürste mit harten Kunststoffborsten 56 FTW 1, kg/m² 56 FTW 1,5 kg/m² (28 Zyklen,5 kg/m²; Masseverlustrate m 56 /m 28 2) 3) Bemerkung Nachweis des geforderten Temperaturverlaufs 2) Frost- und Tausalz-Wechsel 3) Erlass des Sächsischen Staatsministeriums für Wirtschaft und Arbeit vom Copyright by Verlag Bau+Technik GmbH, Düsseldorf ( Beton-Informationen 3 29

3 bei der Einwirkung der Lösung auf den Probekörper sind wiederum Unterschiede vorhanden. Bei dem Referenzprüfverfahren wird die Prüfflüssigkeit auf den Probekörper aufgebracht. In anderen Prüfvorschriften werden die Probekörper mit definiertem Abstand in die 3 %ige Natriumchloridlösung eingetaucht. Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Lage der Temperaturmessfühler. In der Europäischen Norm erfolgt die Temperatursteuerung für die Zyklen in der Prüfflüssigkeit auf der Oberfläche des geschnittenen Würfels. Beim CDF-Verfahren befindet sich der Referenzpunkt unter der Mitte des mittleren Behälters der Truhe. In der Prüfrichtlinie des Freistaats Sachsen wird der Temperaturmessfühler mittig im Probeköper einbetoniert. Um jedoch auf die geforderte Normtemperatur zu kommen, muss die Leistung des Prüfgeräts sehr groß sein, um innerhalb von 4 (vier!!!) Stunden das Innere des Probekörpers auf die geforderte Temperatur von -2 C abzukühlen. Eine Vergleichbarkeit mit den anderen Temperatur [ C] 25, 15, 5, -5, -15, -25, Zeit [h] DIN EN (og) DIN EN (ug) Sachsen (og) Sachsen (ug) Verfahren ist nicht gegeben und die Frage bleibt, wie praxisbezogen die Prüfverfahren für die vorhandenen Bauteile sind. Bei dem Plattenprüfverfahren darf die Lufttemperatur nie unter -27 C fallen. DIN EN 1339 (og) DIN EN 1339 (ug) Sachsen/Anhalt (og) Sachsen/Anhalt (ug) Bild 1: Frost-Tausalz-Widerstand, Temperaturzyklen CDF (og) CDF (ug) og oberer Grenzwert ug unterer Grenzwert Bei der Bestimmung der Abwitterungsrate wird nach dem Referenzverfahren das von der Oberfläche abgewitterte Material in einem Behälter aufgefangen. Die Oberfläche des Prüfkörpers ist mit einer Sprühflasche zu spülen und anschließend abzubürsten: Bürste, mit kurzen (ungefähr 2 mm langen) steifen Borsten zum Abbürsten des abgewitterten Materials. [1] Der Behäl- 4 Frost-Tausalz-Widerstand 4 Frost-Tausalz-Widerstand relative Abwitterung [%] relative Abwitterung [%] Thüringen (CDF) Sachsen Prüfmethode Beton A (Straße) Beton B (Kappe) CEM I 42,5 N-NA CEM II/B-S 42,5 N CEM I 42,5 N-NA CEM II/B-S 42,5 N CEM II/B-M (S-LL) 32,5 R CEM II/B-M (S-LL) 32,5 R Bild 2: Relative Abwitterungen in Abhängigkeit von Prüfverfahren und Zementart ( und Freistaat Thüringen) Bild 3: Relative Abwitterungen in Abhängigkeit vom Prüfverfahren und Zementart (Freistaat Sachsen und Sachsen- Anhalt) Beton-Informationen 3 29 Copyright by Verlag Bau+Technik GmbH, Düsseldorf ( 45

4 Tafel 3: Vergleich der Abwitterung eines Betons, geprüft nach CDF-Verfahren (praktiziertes Regelwerk im Freistaat Thüringen) und Prüfrichtlinie Freistaat Sachsen ter mit dem abgewitterten Material und der Filter, sofern verwendet, sind bei (11 ± 1) C bis zur Massenkonstanz zu trocknen und auf,1 g zu wägen. [1] Das Ultraschallbad findet Verwendung beim CDF-Verfahren und in der Prüfvorschrift des Bundeslands. Mittels Bürste, mit harten Kunststoffborsten, werden die losen Teile der Probeköper gemäß der Prüfrichtlinie des Freistaats Sachsen manuell entfernt. Die unmittelbare Beanspruchung der Prüffläche wird in diesem Zusammenhang nicht geregelt. Bei der Bewertung der Abwitterung liegen die mittleren Grenzwerte zwischen 1, kg/m² und 1,5 kg/m² in CDF-Verfahren Freistaat Thüringen Prüfrichtlinie Freistaat Sachsen nach 12 FTW,16 kg/m²,521 kg/m² nach 28 FTW,266 kg/m²,795 kg/m² nach 56 FTW Beurteilungskriterium: mittlere Abwitterung kumulierte Abwitterung [g/m²] ,5 kg/m² 1,24 kg/m² 1, kg/m² Abhängigkeit von den unterschiedlichen Prüfverfahren. Demgegenüber wird in Sachsen- Anhalt als Abnahmekriterium der Abfall der Spaltzugfestigkeit und der Einzelwert des Volumenverlustes (<,15 cm³/cm²) zur Beurteilung herangezogen. In der Einleitung der Europäischen Norm DIN CEN/TS heißt es weiter: Um Grenzwerte anwenden zu können, ist es erforderlich, die Korrelation zwischen den Ergebnissen der Laborprüfungen und dem Verhalten der Betone in der Praxis zu ermitteln. Auf Grund der verschiedenen Einwirkungsarten von Frost-Tau-Wechseln müsste diese Korrelation unter Berücksichtigung der örtlichen Bedingungen festgestellt werden. [1] Anzahl Zyklen Bild 4: Ermittelte Abwitterung an sechs Prüfkörpern mit dem CDF-Verfahren bei einem Kappenbeton mit CEM II/B-M (S-LL) 32,5 R-AZ (bei identischen Lagerungsbedingungen) Interpretation der Prüfergebnisse Zweifellos werden Betone unserer Klimazone in der Praxis nicht derartigen Extrembedingungen unterworfen, wie in vorgenannten Prüfrichtlinien gefordert, aber für die Abschätzung der langfristigen Beständigkeit sind Schnellversuche sicherlich hilfreich. Die Ergebnisse führten bei der Beurteilung der Ausgangstoffe tatsächlich zu widersprüchlichen Aussagen. Die in Bild 2 verglichenen Betone unterschieden sich bezüglich der Frischbetonkennwerte nur unwesentlich, eine Beurteilung des unmittelbaren Einflusses der Zementart war jedoch nicht möglich. Ähnlich stellte sich das Problem in Bild 3 dar: Die Betonzusammensetzung, die in die geringste Abwitterung aufwies, wäre gemäß Laborbewertung die schlechteste sächsische Betonanwendung. Warum differieren die Prüfergebnisse so eklatant? Sind es nur die Unterschiede in den Prüfverfahren? Der untersuchte thüringer Beton aus Tafel 3 hätte es schwer als Exportschlager ins benachbarte sächsische Vogtland. Selbst bei dem im Labor hergestellten Beton der Expositionsklasse XF4 (eine Betonzusammensetzung für beide Prüfverfahren) zeigten sich bei der Prüfung im gleichen Labor infolge der verschiedenen Prüfverfahren unterschiedliche Resultate, obwohl die zugehörigen Probekörper auch bei identischen Bedingungen gelagert wurden. Diese Betonzusammensetzung dürfte demzufolge nur in Thüringen angewendet werden. Generell sollten aber auch die verfahrensabhängigen Prüfstreuungen bei der Beurteilung berücksichtigt werden. In Bild 4 wurden die sechs 46 Copyright by Verlag Bau+Technik GmbH, Düsseldorf ( Beton-Informationen 3 29

5 Prüfkörper des gleichen Kappenbetons einer CDF-Prüfung verglichen. Jedes Ergebnis dieser Prüfkörper lag deutlich unter dem zulässigen Grenzwert von 1.5 g/m². Es bleibt die Frage, warum die Prüfkörper 1 und 3 so unterschiedliche Abwitterungsraten aufweisen. Die Differenzen von ca. 13 g/m² zwischen den höchsten und niedrigsten Werten können sich zum Beispiel aufgrund zufälliger Anordnungen frostempfindlicher Gesteinskörner ergeben, siehe Bild 5. Der Einfluss der Gesteinskörnung auf die Ergebnisse kann unter Umständen bemerkenswert sein. Die Betone in Bild 6 unterschieden sich bezüglich der Zusammensetzung nur in der verwendeten Gesteinskörnung, die Ergebnisse hingegen weichen massiv voneinander ab. 4 Übertragbarkeit in die Praxis Die Lagerung (siehe Bild 7) der Prüfkörper auf der Baustelle verdient größere Beachtung. Nach jeder Herstellung von Prüfkörpern ist die Normlagerung in einem Temperaturbereich von (2 ± 2) C [4] anzustreben. Das gilt auch und erst recht im Vorfeld der hier verglichenen unterschiedlichen Prüfverfahren. In der Praxis müssen die beanspruchten Betonbauteile dauerhaft sein. Die besten Werte in der Schnellprüfung von Probekörpern sind keine Garantie für die Dauerhaftigkeit des kompletten Bauwerkes, wenn entscheidendes und jahrzehntelanges praxisbewährtes Wissen nicht konsequent angewendet wird. Die Nachbehandlungsmaßnahmen (z.b. Bild 8) sollen unter anderem dem Schutz des frischen Betons gegen Austrocknung dienen. Bild 9 zeigt eindrucksvoll, dass bei sommerlichen Bedingungen Verdunstungsraten von ca. 1,8 l/m² je Stunde erwartet werden können. Damit wäre die Betonrandzone bezüglich der Dauerhaftigkeit stark geschwächt. Abwitterung [cm³/cm²] '',2,15,1,5, Frost-Tausalz-Widerstand () CEM II/B-M (S-LL) 32,5 R Gesteinskörnung A Gesteinskörnung B Bild 5: Abgewitterte Prüffläche (CDF-Verfahren) Bild 6: Einfluss der Gesteinskörnung auf den Frost-Tausalz-Widerstand Bild 7: Lagerung von Prüfkörpern auf der Baustelle Bild 8: Nicht fachgerechte Nachbehandlung einer Brückenkappe Beton-Informationen 3 29 Copyright by Verlag Bau+Technik GmbH, Düsseldorf ( 47

6 Der wirksame Luftporengehalt (Mikroluftporengehalt) zur Erzielung eines ausreichenden Frost- und Tafel 4: Mindestluftporengehalte des Frischbetons [6] Größtkorn [mm] relative Luftfeuchte [%]: Austrocknungsverhalten der Kappe: ~1,8 l/m² je Stunde Lufttemperatur [ C]: 4, mittlerer Mindestluftgehalt 1) in Vol.-% für Beton in Abhängigkeit der Konsistenzklassen (Verdichtungsmaß- bzw. Ausbreitmaßklassen) C1 ohne BV oder FM verdunstete Wassermenge [kg/m 2 h] C2 bzw. F2, F3 und C1 mit BV oder FM Tafel 5: Anforderungen an Luftporenkennwerte im Festbeton [6] Art der Prüfung Mikroluftporengehalt A 3 [Vol.-%] Frost-Tausalz-Widerstands des Zementsteins ergibt sich nicht zwangsläufig aus den am Frisch- Betontemperatur [ C]: Windgeschwindigkeit [km/h]: 4 3 F3 3) 8 5,5 6,5 2) 6,5 2) 16 4,5 5,5 2) 5,5 2) 32 bzw. 22 4, 5, 2) 5, 2) 1) Einzelwerte dürfen diese Anforderungen um höchstens,5 Vol.-% unterschreiten. 2) Wenn bei der Erstprüfung nachgewiesen wird, dass die Grenzwerte für die Luftporenkennwerte (siehe Tafel 5: Anforderungen an Luftporenkennwerte im Festbeton) eingehalten werden, gilt ein um 1 Vol.-% niedriger Mindestluftgehalt. Für diesen Nachweis darf der Luftgehalt des Frischbetons bei Größtkorn von 8 mm 6, Vol.-%, von 16 mm 5, Vol.-% und von 32 mm bzw. 22 mm 4,5 Vol.-% nicht überschreiten. 3) Bei Ausbreitmaßklasse F6 sind die Mikroluftporengehalte und der Abstandsfaktor nachzuweisen. 3,5 3, 2,5 2, 1,5 1,,5 Abstandsfaktor L [mm] Eignungs-/Erstprüfung 1,8,2 Bauwerksprüfung 1,5, Bild 9: Austrocknungsverhalten von Beton in Abhängigkeit von Windgeschwindigkeit, Luftfeuchtigkeit und Temperatur [5] beton ermittelten Gesamtluftporengehalten (Mikro-und Makroluftporengehalt), siehe Tafel 4. Der gemessene Luftporengehalt des Frischbetons ist jedoch nur eine subjektive Momentaufnahme. Korrekturwerte in Abhängigkeit von der Gesteinskörnung, aber auch Einbau und Verdichtungsverfahren in Kombination mit den Temperaturen können die tatsächliche Mikroluftporenstruktur noch nach der Messung des Luftporengehalts am Frischbeton entscheidend beeinflussen. Empfehlenswert wäre die zeitnahe Bestimmung des Mikroluftporengehaltes im Rahmen einer erweiterten Eigenüberwachung (Tafel 5). Die heutigen Schnellverfahren zum Frost-Tausalz-Widerstand sind lediglich ein Hilfsmittel zur Abschätzung der potenziellen Dauerhaftigkeit von Beton. Entscheidend bleibt aber nach wie vor die fachgerechte Herstellung und Ausführung von Betonbauwerken. Wenn ein Bauteil zum Beispiel nach 5 Jahren weiterhin seine volle Gebrauchstauglichkeit aufweist, ist es dauerhaft dank der praktischen Einhaltung bewährter Bauregeln. 4 Literatur [1] DIN CEN/TS : Prüfung von Festbeton. Teil 9: Frost- und Frost-Tausalz-Widerstand Abwitterung [2] Prüfrichtlinie für die Bestimmung des Frost- Tausalz-Widerstandes von Betonbauteilen; Sächsisches Staatsministerium für Wirtschaft und Arbeit [3] Richtlinie Prüfverfahren für Beton; Festbeton; Prüfvorschrift-Bestimmung des Frost-Tausalz-Widerstandes; Landesamt für Straßenbau [4] DIN 148: Prüfverfahren für Beton. Teil 5: Festbeton, gesondert hergestellte Probekörper DIN EN 1239: Prüfung von Festbeton. Teil 2: Herstellung und Lagerung von Probekörpern [5] Zement Taschenbuch, 5. Ausgabe 22, Hrsg.: Verein Deutscher Zementwerke e.v. [6] Merkblatt für die Herstellung und Verarbeitung von Luftporenbeton, Ausgabe Copyright by Verlag Bau+Technik GmbH, Düsseldorf ( Beton-Informationen 3 29