Die Prüfung des Frost-Tausalz-Widerstandes an Straßenbeton Beurteilung der Aussagefähigkeit verschiedener Prüfverfahren

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1 GRIEGER, CH.; THIEL, TH. Die Prüfung des Frost-Tausalz-Widerstandes an Straßenbeton Beurteilung der Aussagefähigkeit verschiedener Prüfverfahren Problematik Mit der Einführung der europäischen Betonnorm ist auch der Anspruch an die Dauerhaftigkeit der Betonbauwerke gestiegen. Durch die jetzt eingeführte genaue Beschreibung der zu erwartenden Umgebungsbedingungen für ein Betonbauteil (Expositionsklassen) und den hiervon abhängig gemachten Anforderung zur Erreichung der notwendigen Qualität (z.b. Mindestgehalt an Zement, Mischungsverhältnis von Wasser zu Zement, usw.) rücken auch die Nachweisverfahren immer mehr in den Vordergrund. Seitdem nimmt zum Beispiel die Frage nach dem erreichten Frostwiderstand vor allem bei Verkehrsbauwerken eine entscheidende Rolle ein (vgl. Abb. 1). Abb. 1: Durch Frost-Tausalzeinwirkung geschädigte Treppenstufen einer Fußgängerbrücke nach zweijährigen Nutzung Für die Prüfung des Frostwiderstandes sind derzeit mehrere verschiedene Verfahren geläufig. Sehr häufig gibt es unterschiedliche Meinungen über die Realitätsnähe dieser Nachweisverfahren, vor allem dann, wenn die erforderlichen Anforderungen in den Prüfungen nicht nachgewiesen wurden. Seit Jahren wurden im Rahmen von Diplom- und Praktikumsarbeiten vergleichende Untersuchungen mit den geläufigsten Prüfverfahren durchgeführt und hierzu umfangreiche Erfahrungen gesammelt. Zementgebundener Beton kann technologisch bedingt nie vollständig hohlraumfrei hergestellt werden, somit besteht immer die Gefahr, dass Wasser in das Gefüge eindringt und Schäden infolge der Volumenvergrößerung bei einer Frostbeanspruchung entstehen. Die Ursache für die natürlich vorhandene Porosität des Zementsteins liegt darin begründet, dass bei dem Erhärtungsprozess (Hydratisierung) nicht alles der Mischung zugegebene Wasser chemisch gebunden wird; für eine vollständige chemische Umsetzung wäre theoretisch lediglich eine Zugabenmenge an Wasser erforderlich, die etwa einem 1/4 der Zementmasse entspricht. Ein solcher Beton besitzt aber eine derartig steife Konsistenz, dass einer Verarbeitung mit den herkömmlichen Einbautechnologien nicht möglich ist; deshalb sind derzeit Wasserzugaben üblich, die etwa der Hälfte der Zementmasse entsprechen. Ein Teil des verbliebenen Wassers (max. 15 %) wird nur physikalisch in Gelporen gebunden (Durchmesser: 1 nm bis 1 nm). Alles Wasser, was nicht für die Hydratation des Zementes benötigt wird, kann wieder verdunsten und hinterlässt somit Kapillarporen (Durchmesser: 1 nm bis 1 µm). Das so entstandene Kapillarporensystem ermöglicht folglich auch bei einer Wiederbefeuchtung den Transport von Wasser in den Beton. Bei einer Frostbeanspruchung können - bedingt durch die Volumenvergrößerung bei der Eisbildung (ca. 9 %) - sehr große hydraulische Drücke entstehen (über 2 N/mm²). In Abhängigkeit von der Zugfestigkeit des Betons werden diese Spannungen elastisch aufgenommen oder es findet eine plastische Verformung und somit einer Lockerung des Gefüges statt. Neben der Festigkeit des Betons wird der Widerstand gegenüber der Frostbeanspruchung maßgebend durch die Porenstruktur (Porosität und Größenverteilung der Poren) beeinflusst. Hierbei spielen insbesondere das Vorhandensein von Expansionsräumen sowie der Anteil der Kapillaren im Zementstein eine besondere Rolle. Als Ausdehnungsräume für das Eis dienen insbesondere zusätzlich eingebrachte kugelförmige Luftporen mit einem Durchmesser kleiner als 3 µm; da sich diese Poren - aufgrund der Oberflächenspannung des Wassers - bei atmosphärischen Druckverhältnissen nicht mit Wasser füllen und erst bei der Eisbildung zugänglich werden.

2 Bereits in den 194er Jahren wurden diesbezüglich durch POWERS Berechnungen hinsichtlich des maximalen Abstandes zwischen dem Ort der Eisbildung und dem nächstliegenden Ausdehnungsraum durchgeführt. Dieser imaginäre Abstand der Poren im Zementleim wird seitdem mit dem Begriff Abstandsfaktor gekennzeichnet. Für die Bewertung des Frostwiderstandes von Betonen besitzt der damals ermittelte Grenzwert für den Abstandsfaktor von,25 mm heute immer noch seine Gültigkeit. Weiterhin wird die Größe der durch die Eisbildung hervorgerufenen Spannungen maßgebend auch von der im Beton vorhandene Menge an gefrierbarem Wasser bestimmt. Der Beton für Fahrbahnen befindet sich - aufgrund der ungeschützten Lage - überwiegend in einem relativ hohen Feuchtigkeitsniveau. Hinzu kommt, dass Straßenoberflächen - bedingt durch den Einsatz von Taumitteln - auch während der Frostperiode noch Wasser aufnehmen können. Einen weiteren Einfluss auf die Höhe der Spannungen besitzt die Abkühlgeschwindigkeit, da z.b. beim langsamen Durchfrieren des Bauteils auch ein Druckabbau über enge und weitmaschige Kapillarporen möglich ist, der bei einem schnellen Temperaturabfall nicht stattfinden kann. Bei der Entwicklung von frostbeständigen Betonen für den Straßenbau werden zwei Zielrichtungen verfolgt: 1) Minimierung der Wasseraufnahme durch Schaffung eines möglichst hohlraumarmen Gefüges. 2) Schaffung einer Porenstruktur die in einer ausreichenden Anzahl gleichmäßig verteilte kleine Poren (< 3 µm) enthält; also Poren, die als Expansionsraum bei der Eisbildung dienen können und somit einen schadensfreien Abbau von inneren Spannungen ermöglichen. Für die Herstellung dieser gewünschten Porenstruktur werden heute üblicherweise in Mitteleuropa künstliche Luftporen in den Frischbeton eingeführt. Durch eine relativ geringfügige Zugabe von flüssigen Zusatzmitteln (Luftporenbildner) werden während des Mischvorganges kugelförmige Luftporen im Zementleim erzeugt. Die Wirkungsweise dieser hierfür verwendeten alkoholischen Naturharze bzw. der künstlicher Fettsäuren beruht auf dem bipolaren Aufbau dieser Stoffe. Ein Teil dieser so erzeugten Luftporen wird jedoch schon beim Transport bzw. bei der Verdichtung wieder zerstört, ein anderer Teil besitzt eine Porengröße > 3 µm und ist demzufolge für die Erhöhung des Frostwiderstandes nicht wirksam. Die richtige Dosierung dieser Mittel muss also mit Hilfe von Vorversuchen relativ fein auf die anderen Betonbestandteile und die Einbautechnologie abgestimmt werden, um z.b. die negativen Nebenwirkungen auf die Betondruckfestigkeit durch die Erhöhung der Porosität zu minimieren. Prüfmethoden und -verfahren Für die Beurteilung der Frostbeständigkeit des Betons werden zwei verschiedenen Methoden angewandt: 1) Mikroskopische Analyse des Festbetons und Beurteilung der Porenstruktur /1/ 2) Simulation der Frostbeanspruchung an Festbetonproben /4, 5, 6, 7/ Die mikroskopische Analyse erfolgt an einer fein geschliffenen Prüffläche, die aus einer repräsentativen Betonprobe herausgearbeitet wurde. Mit einem Stereo-Mikroskop werden Messlinien im Abstand von 6 mm abgefahren (parallel zur Herstellungsoberseite); hierbei werden die Längen der von den Messlinien angeschnitten Poren erfasst. Aus den erfassten Sehnenlängen können über einen mathematischen Algorithmus Aussagen über die Größenverteilung der Poren im Festbeton abgeleitet werden. Abb. 2: Schematische Darstellung des Betongefüges mit Kennzeichnung der bei einer mikroskopischen Analyse erfassten Porensehnenlängen Abb. 3: Beispielhafte Verteilung des Luftgehaltes im Beton nach einer mathematischen Auswertung der erfassten Porensehnenlängen; der für den Frostwiderstand wirksame Bereich ist grau unterlegt (< 3 µm) Für ein statistisch abgesichertes Ergebnis ist es erforderlich mindestens eine Gesamtlänge der Messlinien von 2,4 m zu erfassen. Versuche diese Messungen zu automatisieren, haben bisher noch zu keinen zufrieden stellenden Ergebnissen geführt, da die Bildauswerteverfahren immer noch große Schwierigkeiten mit der Differenzierung zwischen den tatsächlich wirksamen Poren und den sonst noch aus anderen Gründen vorhandenen Poren besitzen. Weiterhin können bei der manuellen Untersuchung mit dem Stereo-Mikroskop die teilweise vorhandenen Ausbrüche an den Porenkanten berücksichtigt werden.

3 Für die direkte Prüfung des Festbetons mit Hilfe einer Simulation von Frost- und Auftauereignissen existiert eine Vielzahl an unterschiedlichen Verfahren und Auswertemethoden. Alle derartigen Prüfverfahren sind gekennzeichnet durch eine starke zeitliche Raffung und eine Vereinfachung der natürlichen klimatischen Verhältnisse. Der damit entstandene Interpretationsspielraum hinsichtlich der Vergleichbarkeit der Beanspruchung in den Tests mit der Realität spiegelt sich in einer fehlenden einheitlichen nationalen bzw. europäischen Bewertung der Prüfergebnisse wieder. Dies hat dazugeführt, dass die Wahl des Prüfverfahrens und des anzuwendenden Bewertungskriteriums jeweils gesondert vertraglich vereinbart werden muss. Die nachfolgende Übersicht enthält eine Auswahl der am häufigsten anzutreffenden Prüfverfahren. Lagerung des Probekörpers Lage der Prüffläche Verfahren Wärmeübertragung Prüfflüssigkeit Frost- Tau- Wechsel Beurteilungskriterium vollständiger Kontakt mit der Prüfflüssigkeit alle Flächen Würfelprüfverfahren teilweiser Kontakt mit Prüfflüssigkeit (in Prüfflüssigkeit eingetauchte Probe) Oberseite (Referenzprüfverfahren) Umluft Wasser oder Taumittellösung 56 Masse des abgewitterten Materials (Oberseite mit Prüfflüssigkeit überdeckt, übrige Fläche abgedichtet und isoliert) Unterseite (Unterseite in Prüfflüssigkeit eingetaucht, Seitenflächen abgedichtet) CF-Prüfverfahren CIF-Prüfverfahren Sächs. Prüfverfahren Bad Wasser Taumittellösung 28 Masse des abgewitterten Materials und innere Schädigungen Masse des abgewitterten Materials Abb. 4: Prüfverfahren für Frost- und Frost-Tausalz-Widerstand Als Taumittellösung wird üblicherweise eine 3 %ige Natriumchloridlösung verwendet; es können jedoch auch andere Salz-Lösungen zum Einsatz kommen, z.b. bei der Prüfung von Beton für Flugbetriebsflächen (organische Salze auf Acetat- bzw. Formiat-Basis). Der Temperaturzyklus während der Prüfungen ist bei allen Verfahren charakterisiert durch einen Wechsel zwischen einem oberen Grenzwert von +2 C und einem unteren Grenzwert, der bei -15 C bzw. -2 C liegt. Durch ein Verweilen auf den Grenztemperaturen wird ein vollständiges Durchfrieren bzw. Auftauen der Proben erreicht. Die Gesamtlänge des Temperaturzyklus ist im wesentlichen abhängig von der Art der Wärmeübertragung; bei der Verwendung von Luft als Trägermedium wird für einen Zyklus eine Dauer von 24 h benötigt (Würfelprüfverfahren, ); erfolgt eine direkte Wärmeübertragung durch den Kontakt mit einem Bad ist eine Dauer von 12 h ausreichend (CF, CDF, Sächs.- und ). Betrachtungen zur Vergleichbarkeit der Beanspruchung im Labor zur tatsächlichen Frost-Tau-Beanspruchung in der Praxis Immer wieder taucht bei der Beurteilung der Prüfergebnisse die Frage auf, in wie weit ist es überhaupt möglich, die Beanspruchung des Betons in der Praxis im Labor in einem viel kürzeren Zeitraum zu simulieren. Ist die Einwirkung durch ein relativ schnelles Abkühlen und wieder Auftauen sowie die Abkühlung auf -2 C und Erwärmung auf +2 C nicht viel zu extrem, um die ta tsächlichen Bedingungen der Natur zu simulieren? O-

4 der ist die Anzahl der 28 bzw. 56 Frost-Tau-Wechsel bei den einzelnen Verfahren nicht viel zu gering, um die tatsächlichen Beanspruchungen über den gesamten Nutzungszeitraum der Bauteile zu erfassen. In diesem Zusammenhang wurde eine exemplarische Auswertung von Aufzeichnungen des Deutschen Wetterdienstes (DWD) für drei ausgewählte Regionen in Ostdeutschland vorgenommen. Betrachtet wurden die Tageswerte für die Stationen (1488), Leipzig-Schkeuditz (1469) und (1384) über einen Zeitraum von 16 Jahren (vgl. Abb. 5). Messstation Position Höhe über dem Lufttemperatur Meeresspiegel Minimal Maximal Mittelwert [nördliche Länge] [östliche Breite] [m ü. MSL] [ C] [ C] [ C] 52, , ,1 37,2 1,1 51, , ,5 37, 9,7 51, , ,5 36,9 9,6 Dichtefunktion Verteilungsfunktion Lufttemperatur (Mittelwerte) [ C] Lufttemperatur (Mittelwerte) [ C] Abb. 5: Ergebnisse der statistischen Auswertung für die Tagesmittelwerte der Lufttemperatur in 2 m Höhe (1991 bis 27) Mit Hilfe der aufgezeichneten Tageswerte für das Minimum der Lufttemperatur in einer Höhe von 5 cm über dem Erdboden (TG) sowie der Werte für die Lufttemperatur in einer Höhe von 2, m (TM) konnten Rückschlüsse auf die Frostbeanspruchung von Fahrbahnoberflächen in diesen Bereichen abgeleitet werden; die Lufttemperatur in Bodennähe (TG) wurde hierbei der Bauteiltemperatur gleichgesetzt. Dabei wurden Tage mit Dauerfrost (TG C und TM C) sowie Tage mit Frost-Tauwechsel (TG C und TM > C) erfasst (vgl. Abb. 6). Messstation Berlin- Tempelhof Leipzig- Schkeuditz Dresden- Klotzsche Tage mit Dauerfrost im Betrachtungszeitraum durchschnittlich pro Jahr Tage mit Frost-Tau-Wechsel im Betrachtungszeitraum durchschnittlich pro Jahr [d] [d/a] [d] [d/a] Abb. 6: Ergebnisse der Auswertung von Aufzeichnungen des Deutschen Wetterdienstes für 3 ausgewählte Stationen Bei der Auswertung dieser Ergebnisse spiegelt sich insbesondere die Höhenlage der Messstationen wieder; es fällt auf, dass die Anzahl der Tage mit Dauerfrost sich gegenläufig zu der Anzahl der Tage mit Frost-Tau- Wechseln verhält. Hieraus kann man ableiten, dass - obwohl in klimatisch milderen Regionen weniger Frostereignisse zu erwarten sind - hier mit einer deutlich höheren Anzahl an Frost-Tau-Wechseln gerechnet werden muss. Interessant sind auch Betrachtungen zur Spannweite der Temperatur bei den Frost-Tauwechseln. Die über eine statistische Auswertung gewonnenen Diagramme verdeutlichen die Häufigkeit der Temperaturdifferenzen bei den Frost-Tau-Wechselereignissen in den vergangenen 16 Jahren (vgl. Abb. 7).

5 1 5,3 9 Dichtefunktion 5,1 5,3 Verteilungsfunktion Temperaturdifferenz beim Frost-Tau-Wechselereignis [K] Temperaturdifferenz beim Frost-Tau-Wechselereignis [K] Abb. 7: Ergebnisse der statistischen Auswertung für die Temperaturdifferenzen bei Frost-Tau-Wechselereignissen Es zeigt sich hierbei, dass bei den Stationen Leipzig und Dresden ca. 5 % der Frost-Tau- Wechselereignisse mit einer Spannweite der Temperatur von weniger als 6 K stattfinden; Differenzen von mehr als 11 K sind bei diesen Messstellen äußerst selten (95 % Quantil). Für die Messwerte der Station zeigt die Dichtefunktion hingegen einen etwas flacheren Verlauf; etwa 5 % der Frost-Tau- Wechsel finden hier mit einer Temperaturspreizung von weniger als 7 K statt. Die Häufigkeit von Frost-Tau- Wechseln mit einer höheren Temperaturdifferenz ist somit wesentlich größer (95 % Quantil bei ca. 14 K). Im Gegensatz zur Klimasimulation während der Prüfung des Frostwiderstandes finden also in der Natur Frost-Tau-Wechselereignisse mit deutlich kleineren Temperaturdifferenzen (im Mittel ca. 5 K) und somit erheblich geringeren Abkühlgeschwindigkeiten statt. Ebenfalls wird die in dem Temperaturzyklus verwendete Grenztemperatur von -2 C in der Praxis äußerst sel ten erreicht; der 5 %-Quantilwert für die Lufttemperatur in Bodennähe liegt bei allen Messstationen nur bei ca. -8 C (vgl. Abb. 8). 1 Dichtefunktion Verteilungsfunktion Lufttemperatur (Mittelwerte) [ C] Lufttemperatur (Mittelwerte) [ C] Abb. 8: Ergebnisse der statistischen Auswertung für die Lufttemperatur in Bodennähe (1991 bis 27) Eine weitere Analyse, bei der die Winterdiensteinsätzen im Bereich der Autobahnmeisterei Dresden untersucht wurden (/2, 3/ Anfang der 198er Jahre), führte zu folgenden interessanten Erkenntnissen: - Einsatztage des Winterdienstes auf der Bundesautobahn A 4: Tage/Jahr - aufgebrachte Taumittelkonzentration (Natriumchlorid-Lösung): im Mittel 1,6...2, % (Maximal 8 %) Eine ebenfalls in diesem Zusammenhang damals durchgeführte Recherche hinsichtlich der Tage mit Dauerfrost sowie der Frost-Tau-Wechselereignisse ergab folgende Ergebnisse: - mittlere Anzahl der abnehmenden Nulldurchgänge einer Betondecke: 72 - mittlere Anzahl der Tage mit einer Lufttemperatur unter -5 C = 32 Es zeigt sich also, dass in klimatisch vergleichbaren Regionen jährlich etwa zwischen 6 und 75 Frost-Tau- Wechsel zu erwarten sind, wobei die untere Grenztemperatur im Mittel jedoch nur bei ca. -5 C liegt. So mit werden innerhalb einer Nutzungsdauer von 3 Jahren die Straßenbetonbauteile also etwa durch Frost-Tau-Wechsel beansprucht. Nun kann man die während der Nutzungszeit zu erwartenden Frost-Tau-Wechsel nicht einfach addieren und somit Wechsel für die Laborprüfungen fordern; dies ließe sich auch nur sehr aufwendig realisieren. Weiterhin müsste man dann die vergleichbare Temperaturdifferenz wie in der Praxis verwenden und nicht die im Labor üblichen Grenzwerte von -2 C und +2 C. Den Streit hinsichtlich der unterschiedlich angesetzten Temperaturen bei der Laborprüfung gegenüber der Beanspruch in der Praxis zu führen, erscheint allerdings nicht gerechtfertigt. Beim Einsatz von Tausalzen treten auf den zu enteisenden Straßenoberflächen ohne weiteres Temperaturgradienten von unter -1 K durch den plötzlichen Temperaturabfall beim Auftauvorgang auf (Entzug der Schmelzwärme).

6 Es hat sich gezeigt, dass Betone, die bis 5 Wechsel in Anwesenheit von Taumittel ohne eine größere Abwitterung bestehen, auch bei weiteren Wechseln kaum noch Abwitterungen zeigen. Insofern wird die Festlegung der für eine Aussage erforderliche Forst-Tau-Wechsel-Anzahl mit 56 Wechseln als praxisnah angesehen - dies wird in der überwiegenden Anzahl der Prüfungen so gefordert. Der Frost-Tausalz-Widerstand des Betons ist im entscheidenden Maß vom Grad der Wassersättigung abhängig. Da Betone mit künstlichen Luftporen stets einen entsprechenden Pufferraum aufweisen, sind diese hinsichtlich der Dauerbeständigkeit klar im Vorteil. Als Kriterium wird bei allen Prüfverfahren die abgewitterte Masse bezogen auf die geprüfte Oberfläche herangezogen. Diese Tatsache liegt darin begründet, dass beim Einsatz von Taumitteln vor allem die Oberfläche des Betons stark durch die Temperaturbeanspruchung angegriffen wird. Lediglich beim CIF-Verfahren (Capillary suction, Internal damage and Freeze thaw test) erfolgt auch eine Kontrolle hinsichtlich eventuell im Prüfkörper entstandener innerer Schädigungen mittels Ultraschalllaufzeitmessungen (Bestimmung des relativen dynamischen Elastizitätsmoduls). Als Grenzwert wird bei allen Verfahren ein Masseverlust von 1. bis g/m² angesetzt. Das entspricht einer Abtragstiefe durch die Frosteinwirkung von ca.,5 bis,7 mm. Dieser Wert ist bei der Prüfung an der Herstellungsoberfläche sehr gering und er kann durch eine schlechte Nachbehandlung der zu prüfenden Fläche schnell überschritten werden ohne dass eine grundsätzliche tiefere Schädigung eintreten wird. Hier sind in der nächsten Zeit noch praxisnahe Vergleichsversuche anzustellen. Als günstig hat sich erwiesen, dass der Schadensverlauf aller 1 Wechsel messtechnisch festgestellt und verfolgt wird. Damit kann erkannt werden, ob es einen progressiven oder degressiven Schadensverlauf gibt. Bei dem degressiven Verlauf im Bereich bis g/m² ist zu erkennen, dass der Beton im Kern einen ausreichenden Frost-Taumittel-Widerstand aufweist. Lediglich durch mangelhafte Nachbehandlung kann am Anfang ein größerer Masseverlust aufgetreten sein. Ergebnisse von vergleichenden Prüfungen Im Rahmen einer vergleichenden Prüfung an fünf verschiedenen Betonen wurden jeweils mehrere Prüfkörper mit dem, dem CDF-Verfahren sowie der Sächsischen Prüfmethode geprüft /8/. Damit sollte auch die Aussagefähigkeit der einzelnen Prüfverfahren gegenüber gestellt werden. Bei der Serie 1 handelt es sich um einen üblichen hochwertigen frost-taumittelbeständigen Beton (C3/37) wie er z.b. für den Autobahnbau verwendet wird. Der Beton der Serie 2 ist vergleichbar mit Serie 1, enthält aber mit nur 2,1 % etwa der Hälfte des Luftporenvolumens. Die Serie 3 entspricht einem üblichen frosttausalzbeständigen Beton (C25/3) mit einem optimalen Luftporengehalt wie er z.b. für Brückenkappen verwendet wird; diesem Beton fehlten bei der Serie 4 die für den Frost-Tausalz-Widerstand so wichtigen künstlichen Luftporen. Als Serie 5 wurden handelsübliche Betonpflastersteine geprüft. Während die Serien 1 und 3 frosttausalzbeständige Betone aufwiesen, sind bei den Serien 2 und 4 bewusst Betone mit zu geringem bzw. keinen zusätzlichen Luftporengehalten zur Anwendung gekommen. Die Ergebnisse der Prüfungen des Frosttauwiderstandes sind aus den Abbildungen 7 bis 12 ersichtlich. Wie erwartet, zeigt die Serie 1 auch nach 56 Frost-Tau-Wechseln nur eine geringfügige Abwitterung (vgl. Abb. 9). Bei der Serie 2 (Autobahnbeton mit etwas zu geringem Luftporengehalt) sind schon deutlich größere Abwitterungen zu verzeichnen; bei 35 bis 4 Frost-Tau-Wechseln wird hier der Grenzwert von g/m² bereits überschritten (vgl. Abb. 1); nach dem CDF-Verfahren würde allerdings diese Prüfung noch als bestanden gelten. Der Beton mit 3,6 % Luftporen (vgl. Abb. 11) kann erwartungsgemäß wieder als ausreichend frosttausalzbeständig eingestuft werden. Hier tritt erstmalig eine geringfügige Abweichung zwischen den Ergebnissen der Sächsischen Prüfmethode und dem CDF-Verfahren auf. In der Abb. 12 sind die Ergebnisse von einem Beton (C25/3) ohne künstliche Luftporen dargestellt. Erwartungsgemäß zeigt dieser bei allen drei Prüfverfahren große Abwitterungen; allerdings wäre auch hier nach 28 Wechseln das Prüfkriterium nach dem CDF-Verfahren noch erfüllt. Bei den Betonpflastersteinen (vgl. Abb. 13) wurde 1 Stein bei der CDF-Prüfung ab 14 Wechseln deutlich zerstört und hat mit seinem großen Masseverlust das Ergebnis stark verfälscht. Doch auch hier ist abzusehen, dass 28 Wechsel eine zu geringe Prüfanzahl für eine dauerhafte Aussage darstellen. Ein differenziertes Verhalten zeigten die Prüfkörper im. Bei zunehmender Abwitterung versagt dieses Verfahren, weil die Verbindung zwischen Manschette und Prüfkörper trotz Nachklebens nicht mehr abgedichtet werden konnte (vgl. Abb. 14). Dieser Umstand ist ein schon seit Jahrzehnten bekannter Mangel, der in Deutschland auch dazu geführt hatte, das nicht mehr anzuwenden.

7 Abwitterung [g/cm²] 1. 5 Abb. 9: Serie 1 - Beton C3/37 mit 4,1 % Luftporen Abwitterung [g/cm²] 1. 5 Abb. 1: Serie 2 - Beton C3/37 mit 2,1 % Luftporen Abwitterung [g/cm²] 1. 5 Abb. 11: Serie 3 - Beton C25/3 mit 3,6 % Luftporen Abwitterung [g/cm²] 1. 5 Abb. 12: Serie 4 - Beton C25/3 ohne künstliche Luftporen

8 Abwitterung [g/cm²] 1. 5 Abb. 13: Serie 5 - Betonpflaster Abb. 14: Undichtigkeitsprobleme beim In den Diagrammen (vgl. Abb. 9 bis Abb. 13) auf der rechten Bildseite sind Abweichungen der Abwitterungsergebnisse zum Sächsischen Prüfverfahren in Prozent dargestellt. Es zeigt sich, dass ausgenommen die Ergebnisse der Serie 3 (vergleichbar einem Beton für Brückenkappen C25/3 mit optimalem Luftporengehalt) die Ergebnisse zum Abschluss der Prüfungen nach 56 Frost-Tau-Wechseln weitestgehend übereinstimmen. Allerdings ist bis zum 1. Wechsel jeweils eine deutlich geringe Abwitterung durch das CDF- Prüfverfahren gegen über der Sächsischen Prüfmethode festzustellen. Bei der Auswertung der Diagramme wird deutlich, dass bei einem Grenzwert von 28 Frost-Tau-Wechseln alle Betone das Abwitterungskriterium von g/m² bestehen. Selbst der Beton der Serie 4 (ohne künstliche Luftporen) liegt mit seinem Masseverlust noch darunter. Damit wird deutlich, dass die im CDF- Prüfverfahren fixierte Frost-Tau-Wechsel-Anzahl von 28 grundsätzlich als zu gering angesehen werden muss. Zusammenfassung In den vergangenen 15 Jahren wurden zahlreiche Prüfungen nach den gebräuchlichsten Verfahren durchgeführt. Dabei wurden folgende Grundtendenzen festgestellt: - Das in der DIN CEN/TS empfohlene Referenzprüfverfahren ist hinsichtlich der Durchführung am schlechtesten geeignet, um eine Aussage über den vorhandenen Frost-Tausalz- Widerstand zu machen. Bei einem Wechsel je Tag und 56 Zyklen werden mindestens 8 Wochen für eine Aussage benötigt. Im ungünstigsten Fall kann es zu Rissen auf der Oberfläche und einem Abfließen des Taumittels kommen. - Das CDF-Verfahren entspricht im Ablauf etwa der Prüfrichtlinie des Sächsischen Staatsministeriums für Wirtschaft und Arbeit. Allerdings kann die darin festgelegte Anzahl von 28 Frost-Tau- Wechseln nicht als ausreichend betrachtet werden. - Beton, der von der stofflichen Zusammensetzung oder von der Verarbeitung her keinen ausreichenden Frost-Tausalz-Widerstand aufweist, wird nach allen drei Verfahren bereits nach 15 bis 2 Wechseln starke Abwitterungen und deutliche Zerstörung aufweisen. Beim Referenzprüfverfahren () kommt es dabei oft zur Auflösung im Randbereich; die oben aufstehende Prüflösung versickert im Beton oder läuft zwischen der sich ablösenden Ummantelung heraus (vgl. Abb. 14).

9 - Beton mit einer hohen Druckfestigkeit wird bei der üblichen Wasserlagerung vor Prüfbeginn bis zu einer Frost-Tau-Wechselanzahl von 3 bis 4 relativ beständig bleiben und erst danach (zwischen 4 und 5 Wechseln) durch innere Gefügeschädigungen stark zerfallen. - Straßenbetone mit einem zu geringen Luftporenanteil zeigen ebenfalls erst zwischen 4 und 5 Wechseln einen Masseverlust, der eine Überschreitung der zulässigen Grenzwerte erreicht. - Betone mit optimalem Luftporenanteil dagegen bleiben auch über 56 Frost-Tau-Wechsel mit den Abwitterungen unter den zulässigen Grenzwerten. Abbildungsverzeichnis Abb. 1: Durch Frost-Tausalzeinwirkung geschädigte Treppenstufen einer Fußgängerbrücke nach zweijährigen Nutzung 1 Abb. 2: Schematische Darstellung des Betongefüges mit Kennzeichnung der bei einer mikroskopischen Analyse erfassten Porensehnenlängen... 2 Abb. 3: Beispielhafte Verteilung des Luftgehaltes im Beton nach einer mathematischen Auswertung der erfassten Porensehnenlängen; der für den Frostwiderstand wirksame Bereich ist grau unterlegt (< 3 µm)... 2 Abb. 4: Prüfverfahren für Frost- und Frost-Tausalz-Widerstand... 3 Abb. 5: Ergebnisse der statistischen Auswertung für die Tagesmittelwerte der Lufttemperatur in 2 m Höhe (1991 bis 27)... 4 Abb. 6: Ergebnisse der Auswertung von Aufzeichnungen des Deutschen Wetterdienstes für 3 ausgewählte Stationen... 4 Abb. 7: Ergebnisse der statistischen Auswertung für die Temperaturdifferenzen bei Frost-Tau-Wechselereignissen... 5 Abb. 8: Ergebnisse der statistischen Auswertung für die Lufttemperatur in Bodennähe (1991 bis 27)... 5 Abb. 9: Serie 1 - Beton C3/37 mit 4,1 % Luftporen... 7 Abb. 1: Serie 2 - Beton C3/37 mit 2,1 % Luftporen... 7 Abb. 11: Serie 3 - Beton C25/3 mit 3,6 % Luftporen... 7 Abb. 12: Serie 4 - Beton C25/3 ohne künstliche Luftporen... 7 Abb. 13: Serie 5 - Betonpflaster... 8 Abb. 14: Undichtigkeitsprobleme beim... 8 Quelllen /1/ DIN Deutsches Institut für Normung e.v. /2/ GLATTE, R., KÖHLER, K. DIN EN 48-11:25 - Zusatzmittel für Beton, Mörtel und Einpressmörtel - Prüfverfahren Teil 11: Bestimmung von Luftporenkennwerten in Festbeton Eindringverhalten und Verteilung von Chloriden in Konstruktionen des Straßenwesens; Die Straße, Heft 3, Jahrgang 199, S /3/ GLATTE, R. Methoden zur Prüfung des Frostwiderstandes von Zementstabilisierung, Straßenbeton und Fertigteilen von Verkehrsflächen; Das Straßenwesen, Heft 25, Jahrgang 1984, S /4/ Sächsisches Staatsministerium für Wirtschaft und Arbeit, Abteilung Verkehr /5/ Sächsisches Staatsministerium für Wirtschaft und Arbeit, Abteilung Verkehr /6/ DIN Deutsches Institut für Normung e.v. /7/ Réunion Internationale des Laboratoires et Experts des Matériaux, systèmes de construction et ouvrages Prüfrichtlinie für die Bestimmung des Frost-Tausalz-Widerstandes von Zementgebundenen Bauteilen, SMWA- Erlass vom 21. Januar 23, Az.: Prüfrichtlinie für die Bestimmung des Frost-Tausalz-Widerstandes von Betonbauteilen, SMWA- Erlass vom 11. Januar 25; Az.: DIN CEN/TS :26 - Prüfung von Festbeton Teil 9: Frost- und Frost-Tausalz-Widerstand - Abwitterung RILEM Paper - TC 117-FDC Recommendation - CDF test - test method for the freez thaw and deicing resistance of concrete - Tests with sodium chloride (CDF) /8/ GRUHLER, C. Vergleich von verschiedenen Frost-Tau-Wechsel-Prüfverfahren hinsichtlich der Aussagefähigkeit, des Prüfaufwandes sowie der Vergleichbarkeit untereinander bei verschiedenen Betonrezepturen - Diplomarbeit an der HTW Dresden (FH) 24