Die Prüfung des Frostwiderstands von Beton mit verschiedenen Zementarten

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1 Die Prüfung des Frostwiderstands von Beton mit verschiedenen Zementarten Vergleich von Laborergebnissen mit Praxiserfahrungen Von Peter Boos, Reiner Härdtl und Eckhard Bohlmann, Leimen Der Frostwiderstand von Beton wird in Europa i.d.r. durch deskriptive Regeln sichergestellt. So sind für die unterschiedlichen Frost-Expositionsklassen XF nationale betontechnologische und betontechnische Maßnahmen (Anforderungen an die Betonzusammensetzung und Ausführung) definiert; siehe hierzu z.b. [3, 4]. 1 Einführung Bauwerke werden als dauerhaft bezeichnet, wenn sie die verlangten Gebrauchseigenschaften aufweisen unter den planmäßigen Beanspruchungen, über die projektierte Nutzungsdauer und bei geringen Instandhaltungskosten [1]. Eine natürliche Beanspruchungsart ist z.b. der Frostangriff. Temperaturschwankungen um den Gefrierpunkt können wie bei natürlichem Gestein auch bei Bauwerken aus nicht sachgerecht zusammengesetztem und fachgerecht eingebautem Beton zu oberflächlichen Abwitterungen oder zu internen Gefügezerstörungen führen [2]. Dabei sind die Prozesse progressive Phänomene, d.h., die Abwitterung nimmt mit der Anzahl der Frostzyklen zu. In Verbindung mit Tausalzen ist der Frostangriff deutlich stärker. Auf lange Sicht kann daher ein Frostangriff die Gebrauchstauglichkeit oder sogar die Dauerhaftigkeit eines Bauwerks beeinträchtigen. Zur Beurteilung des Frostwiderstands von Beton wurden verschiedene Labor-Frost-Prüfverfahren entwickelt. Allen Verfahren gemein ist, dass sie den langwierigen natürlichen Prozess der Frostbeanspruchung durch die schnelle Wiederholung von Frost-Tau-Zyklen beschleunigen. Die Prüfverfahren unterscheiden sich hinsichtlich der Prüfkörperform und -größe, des Sättigungszustands der Prüfkörper, des Temperaturprofils der Prüfzyklen, der maximalen und minimalen Temperatur sowie der Zyklendauer und -anzahl. Bild 1: Nibelungenbrücke in Worms: Pfeiler und Brückenkappen mit CEM II/B-S 42,5 N und CEM III/A 32,5 N 55

2 Bild 2: Fernmeldeturm des SWR auf dem Feldberg mit CEM II/A-LL 32,5 R Da die Laborprüfverfahren überwiegend für Portlandzement-(CEM I-) Betone entwickelt wurden, stellt sich die Frage, ob die Verfahren auch den Frostwiderstand von CEM II- und CEM III-Betonen gleichermaßen widerspiegeln. Diese CEM II- und CEM III-Betone haben sich heute in allen Bereichen des Betonbaus etabliert (Bilder 1 und 2). In einem Forschungsprojekt des HeidelbergCement Technology Centers wurde daher untersucht, wie sich CEM II- und CEM III-Betone, die sich in verschiedenen Ländern in der Praxis bewährt haben, bei der Prüfung mit den Prüfverfahren der CEN/TS [5] im Vergleich zu Betonen mit Portlandzementen (CEM I) verhalten, die aus den jeweils gleichen Werken stammen. Die betonschädigende Wirkung von Frost-Tau-Zyklen wird häufig auf die 9%ige Volumenzunahme bei der Phasenumwandlung von Wasser zu Eis und dem dabei entstehenden Druck reduziert. Dass die Zusammenhänge, die zu der Schädigung infolge Frost-Tau-Beanspruchung führen können, weitaus komplexer sind und sich vermutlich verschiedene Mechanismen überlagern, wird deutlich, wenn man die Vielzahl der wissenschaftlichen Untersuchungen und die daraus abgeleiteten Modelle betrachtet [6 bis 11]. So wird das Verhalten des Wassers im Gel- und Kapillarporenraum des Betons durch verschiedene physikalisch-chemische Parameter beeinflusst, wie z.b. Gefrierpunktreduzierung durch gelöste Stoffe, z.b. Salze, Gefrierpunktreduzierung durch Oberflächenkräfte, Unterkühlungseffekte, Dampfdruckunterschiede. Aus den verschiedenen Parametern wurden die zerstörend wirkenden mikroskopischen und makroskopischen Schadensmechanismen abgeleitet [12 bis 17]: Theorie des hydraulischen Drucks/ Eisdrucks, Theorie des osmotischen Drucks, Diffusionstheorie, kapillarer Effekt, Eislinsenmodel, ungleiche Temperaturausdehnungskoeffizienten von Beton, Eis und Gesteinskörnung. Wichtige und schädigungsrelevante Einflussgrößen sind in Tafel 1 zusammengestellt. 2 Frostangriff Zerstörende Mechanismen und Einflussgrößen Tafel 1: Mechanismen, die den Frostwiderstand beeinflussen Betonzusammensetzung technologische Einflussgrößen einwirkungsbedingte Einflüsse w/z-wert Zementsteinporosität Zusatzmittel Gesteinskörnung Zement Transport Verdichtung Nachbehandlung Schutzmaßnahmen Feuchtigkeitsangebot Temperaturverhältnisse Taumittel Karbonatisierung 56 Copyright by Verlag Bau+Technik GmbH, Düsseldorf ( Beton-Informationen 5/6 2008

3 3 Bestimmung des Frostwiderstands nach CEN/TS Zur Beurteilung des Frostwiderstands von Beton sind europäisch drei Prüfverfahren in der technischen Spezifikation CEN/TS [5] beschrieben. Als Referenzverfahren gilt das Plattenprüfverfahren (Slab Test). Alternativen sind das Würfelverfahren und der CF-Test (CF: Capillary Suction Frost-Test). Tafel 2 stellt die wesentlichen Parameter der drei Prüfverfahren gegenüber [18]. Die Herstellungs- und Vorlagerungsbedingungen der drei Methoden sind weitgehend vergleichbar, Tafel 2. Eine innere Gefügestörung, die im technischen Bericht CEN/TR Prüfung des Frost-Tauwiderstandes von Beton Innere Gefügestörung [20] beschrieben wird, ist nicht Thema dieser Studie. Da in dem vorliegenden Projekt der Wasserfrostwiderstand ohne zusätzliche Wirkung von Taumitteln untersucht wurde, beziehen sich die folgenden kurzen Beschreibungen auch nur auf diesen. Beim skandinavischen Plattenprüfverfahren werden die Probekörper (150 mm 150 mm 50 mm), die aus Betonwürfeln (Kantenlänge: 150 mm) gesägt werden, durch Frost-Tau-Wechsel unter einer 3 mm tiefen Schicht entionisierten Wassers beansprucht. Die Prüffläche ist die gesägte Fläche. Alle anderen Flächen des Prüfkörpers sind abgedichtet (siehe Schemazeichnung in Tafel 2). Der Frostwiderstand wird bei diesem Plattenprüfverfahren durch Ermittlung der Masse des von der Betonplatte abgewitterten Materials (in Tafel 2: Vergleich der Prüfverfahren nach CEN/TS [5, 17] Prüfparameter Plattenprüfverfahren (Slab test) Würfelverfahren CF-Test (CDF-Test) Vorlagerung W (6 d), L (21 d), P (3 d) W (6 d), L (20 d), P (1 d) W (6 d), L (21 d), P (7 d) Prüfkörper in mm Prüfalter mindestens 31 d 28 d mindestens 35 d Prüffläche gesägt, Würfelmitte geschalt geschalt Prüfrichtung einseitig allseitig einseitig T min /T max -20 C / +20 C im Prüfmedium -20 C / +20 C in Würfelmitte -20 C / +20 C unter Prüfbehälter T ±2 K ±2 K ±0,5 K Abkühl-/ Auftaugeschwindigkeit Dauer/Anzahl der FT-Zyklen nach [8] 6,2 K/h / 1,8 K/h 6,2 K/h / 1,5 K/h 6,2 K/h / 10 K/h 24 h / 56 FTW 1) 24 h / 56 FTW 1) 24 h / 56 FTW 1) Prüfkriterium A Oberflächenschädigung Oberflächenschädigung Oberflächenschädigung Prüfkriterium B - Innere Schädigung Innere Schädigung vorgeschlagener Grenzwert: Kriterium A 1. Frostbeanspruchung - 2. Frost-Tausalz- Beanspruchung 1,0 kg/m 2 (nach 56 FTW) 10 M.-% / (100 FTW 2) ) 5 M.-% / (100 FTW 3) ) 5,0 M.-% / (56 FTW) 1,0 kg/m 2 / (28 FTW) [19] 1,5 kg/m 2 / (28 FTW) (CDF) W: unter Wasser L: Luftlagerung im Normklima bei 20 C/65 % r. F. P: in Kontakt mit der Prüfflüssigkeit 1) FTW: Frost-Tau-Wechsel 2) XF1: Kriterium gemäß [11, 18] 3) XF3: Kriterium gemäß [11, 18] 57

4 kg/m 2 ) nach 56 Frost-Tau-Wechseln (d.h. nach 56 Tagen) beurteilt [5]. Beim Würfelverfahren werden die Prüfwürfel (Kantenlänge: 100 mm), die vollständig in entionisiertem Wasser eingetaucht sind, durch wiederholte Frost-Tau-Wechsel beansprucht. Der Frost-Tau-Widerstand wird durch Bestimmung des prozentualen Masseverlusts der Prüfwürfel nach 56 Frost-Tau-Wechseln beurteilt [5]. Die Prüfkörper für das CF-Prüfverfahren werden in einer Würfelform (Kantenlänge: 150 mm) hergestellt, die durch eine mittig angeordnete PTFE-Platte geteilt ist. Nach definierter Vorlagerung wird die PTFEgeschalte Plattenseite in entionisiertem Wasser durch wiederholte Frost- Tau-Wechsel beansprucht. Der Frostwiderstand wird durch Ermittlung der Masse des vom Probekörper abgewitterten Materials (in kg/m 2 ) nach 56 Frost-Tau-Wechseln (in 28 Tagen) beurteilt [5]. Während der Temperaturbereich (T max : 20 C; T min : -20 C) bei allen Prüfverfahren identisch ist, unterscheiden sich die Verfahren z.b. in den zulässigen Temperaturabweichungen, in der Dauer der jeweiligen Zyklen und in der Anordnung der Temperatursensoren. Die Verfahren können angewendet werden, um neue Ausgangsstoffe oder neue Betonzusammensetzungen mit bekannten Ausgangsstoffen oder Betonzusammensetzungen zu vergleichen [5]. Zudem können Prüfergebnisse mit Grenzwerten, die auf nationalen Erfahrungen basieren, verglichen und bewertet werden. Bei diesen nationalen Regelungen weicht die Zyklenzahl, auf die sich der Grenzwert bezieht, zum Teil von den Vorgaben der technischen Spezifikation CEN/TS ab (Tafel 2). In CEN/TS selbst sind keine Empfehlungen für Grenzwerte gegeben. In Deutschland sind Grenzwerte für einen hohen Frostwiderstand z.b. im Merkblatt Frostprüfung von Beton der Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) [19] definiert. Das Merkblatt gibt neben einem Abnahmekriterium für die innere Betonschädigung (Abnahme des relativen dynamischen E-Moduls) als zusätzliches Abnahmekriterium für einen hohen Wasserfrostwiderstand des Betons eine Abwitterung von 1 kg/m 2 nach 28 Frost-Tau-Wechseln (in 14 Tagen) beim CF-Verfahren vor. Weitere vorgeschlagene Grenzwerte sind Tafel 2 zu entnehmen. Tafel 3: Ausgewählte CEM II/CEM III-CEM I-Paare 4 Ausgewählte Ausgangsstoffe Innerhalb eines internen Forschungsprojekts des Heidelberg- Cement Technology Centers wurde der Frostwiderstand von vier CEM I- Betonen mit dem Frostwiderstand von vier CEM II- bzw. CEM III-Betonen verglichen. Dazu wurde jeweils ein Portlandzement (CEM I) und ein CEM II- bzw. CEM III-Zement aus vier verschiedenen europäischen Zementwerken verwendet (Tafel 3). Dadurch, dass bei der Herstellung der jeweils verglichenen Zementpaare der gleiche Klinker verwendet wurde, konnte der Einflussparameter Klinker bei den anschließenden vergleichenden Untersuchungen ausgeschlossen werden. Region/Werk CEM II/ CEM III Portlandzement (CEM I) A CEM III/A 42,5 N CEM I 52,5 N B CEM II/A-V 42,5 R CEM I 42,5 R C CEM II/B-S 42,5 N CEM I 42,5 R D CEM II/A-LL 32,5 R CEM I 32,5 R Bild 3: Betonfahrbahndecke mit CEM II/A-LL. Die Straße ist rund 10 Jahre alt und zeigt weder Risse noch Abwitterungen 58 Copyright by Verlag Bau+Technik GmbH, Düsseldorf ( Beton-Informationen 5/6 2008

5 5 Versuchsdurchführung Die Untersuchung war in drei Projektteile untergliedert. Im ersten Projektteil wurden alle Zemente chemisch, mineralogisch und physikalisch untersucht und charakterisiert. Da die Porosität einen erheblichen Einfluss auf den Frostwiderstand des Zementsteins hat, wurde die Porosität der verschiedenen Zementarten an 28 Tage alten Mörteln mit der Quecksilberdruckporosimetrie näher untersucht. Hierzu wurden mit den verschiedenen Zementarten Mörtel mit folgender Zusammensetzung hergestellt: 450 g ± 2 g Zement g ± 5 g Sand (Korngröße 1 mm) 250 g ± 1 g Wasser w/z = 0,55 Bild 4: Brückenpfeiler aus Beton mit CEM II/A-V. Die 6 Jahre alte Brücke zeigt weder Risse noch Abwitterungen. Die frischen Mörtelproben wurden in einseitig verschlossene Plastikröhrchen ( = 1 cm) gefüllt (Bild 6). Die Proben wurden entsprechend den Festlegungen in CEN/TS für 24 Stunden unter Folie, 6 Tage unter Wasser und anschließend 20 Tage an Luft im Labor bei Normklima (20 C / 65 % r. F.) gelagert. Am 28. Tag wurden die Proben schonend bei 40 C getrocknet. Anschließend wurde die Porosität des Zementmörtels in den oberen 10 mm (Randprobe) und in Bild 5: Betonfahrbahndecke auf der Mölltalstraße bei Kolbnitz [21]. Die Beschaffenheit der 1956 mit CEM II/A-S (damals Eisenportlandzement EPZ) hergestellten Straße ist nach mehr als 50 Jahren immer noch ausgezeichnet. Die vier Zementwerke, die die jeweiligen Zementpaare geliefert haben, liegen ausnahmslos in Regionen, die von starkem Frost geprägt sind. Zudem wurde im Vorfeld sichergestellt, dass insbesondere mit den CEM IIund CEM III-Zementen seit Jahren Betone mit hohem Frostwiderstand hergestellt werden (Bilder 3 bis 5). Da im Werk A kein Portlandzement der Festigkeitsklasse 42,5 produziert wurde, wurde als Portlandzement ein CEM I 52,5 N gewählt. 10,0 mm Bild 6: Probenkörper zur Porositätsbestimmung Plastikröhrchen, unten geschlossen 50,0 mm 10,0 mm Rand 10,0 mm Kern 59

6 den unteren 10 mm (Kernprobe) bestimmt (Bild 6). Der Versuch simuliert die Hydratationsbedingungen, die in der Mitte eines Betonprobewürfels mit 10 cm Kantenlänge und im oberflächennahen Bereich vorliegen. Während mit der Kernprobe die Porositätsentwicklung unter optimalen Vorlagerungsbedingungen bestimmt wird, kann mit der Randprobe der Einfluss der Umgebungsbedingungen während der Vorlagerung nachvollzogen werden. Im zweiten Projektteil wurde der Wasserfrostwiderstand der CEM II/ CEM III-CEM I-Paare mit allen Prüfverfahren der CEN/TS untersucht. Hierzu wurden von erfahrenen Betontechnologen aus der jeweiligen Region praxisübliche Betonzusammensetzungen für die jeweiligen Zemente vorgegeben. Bedingung für die Zusammensetzung der Betone war, dass sich diese Betone seit langem in der Praxis auf dem regionalen Markt als Betone mit hohem Frostwiderstand bewährt haben. Die Mischungszusammensetzungen sind Tafel 4 zu entnehmen. Bei der Mischung B handelt es sich um eine Betonzusammensetzung, die nach den örtlichen Anforderungen Luftporenbildner enthält. Gemäß den deutschen Anwendungsregeln DIN [3] erfüllen die Mischungen A und D die Anforderungen der Expositionsklasse XF1 und die Mischungen B und C die der Expositionsklasse XF3. Obwohl die Frostprüfverfahren eigentlich nur für die Expositionsklasse XF3 ausgelegt sind, wurden die Vorschläge der Länder für die jeweiligen Betonzusammensetzungen exakt übernommen, da der Vergleich der Zementarten im Vordergrund der Studie stand. Die Entscheidung, landesspezifische Betonzusammensetzungen zu verwenden, schränkt den direkten Vergleich der Betonpaare untereinander ein. Im dritten Projektteil wurden die Erkenntnisse aus den vorhergehenden beiden Projektteilen genutzt, um die Vorlagerungsbedingungen derart zu modifizieren, dass zu Beginn der Prüfung des Frostwiderstands die CEM II/CEM III-Zemente vergleichbare Hydratationsgrade (bzw. Zementsteinporositäten) aufwiesen wie die jeweils zugehörigen Portlandzemente. So wurde die Lagerungsdauer in zwei Schritten angehoben. Da sich die Karbonatisierung negativ auf die Oberflächen der Betone mit CEM II und CEM III auswirken kann und die Karbonatisierungsgeschwindigkeit im Labor bei Normklima (20 C / 65 % r. F.) ausgesprochen hoch ist, wurden die Prüfkörper bis zum Prüfbeginn zudem in Folie eingewickelt gelagert. Tafel 4: Betonzusammensetzungen CEM I 52,5 N CEM III/A 42,5 N CEM I 42,5 R CEM II/A-V 42,5 R CEM I 42,5 R CEM II/B-S 42,5 N CEM I 32,5 R CEM II/A-LL 32,5 R Werk A A B B C C D D Zementgehalt z kg/m Wassergehalt kg/m w/z-wert 0,50 0,55 0,44 0,55 Gesteinskörnung Sand 0/2 mm kg/m Kies 2/8 mm kg/m Kies 8/16 mm kg/m Kies 16/32 mm kg/m Gesamtgehalt kg/m Fließmittel % von z 0,44 0,50 0,30 0,30 0,0 1,0 1,2 1,2 LP-Mittel % von z - - 1,0 1, Konsistenzklasse F4 F4 F4 F4 F3 F3 F3 F4 Expositionsklasse XF1 XF3 XF3 XF1 60 Copyright by Verlag Bau+Technik GmbH, Düsseldorf ( Beton-Informationen 5/6 2008

7 Die folgenden modifizierten Lagerungsarten wurden gewählt: 1 d in der Form, 6 d unter Wasser, 21 d in Folie bei 20 C (LA) 1 d in der Form, 6 d unter Wasser, 49 d in Folie bei 20 C (LB) 1 d in der Form, 6 d unter Wasser, 77 d in Folie bei 20 C (LC) Der Frostwiderstand wurde im dritten Teil des Projekts nur noch mit dem CF-Test ermittelt, der sich als schärfstes Verfahren erwiesen hatte. Für die Untersuchungen wurden wiederum die Betonzusammensetzungen des zweiten Projektteils verwendet. 6 Ergebnisse der Untersuchungen 6.1 Porositätsuntersuchungen Die Ergebnisse der Porositätsuntersuchungen im ersten Projektteil sind im Bild 7 dargestellt. Die Probenpaare sind zur leichteren Unterscheidung wechselnd mit grau und weiß hinterlegt. Gegenübergestellt sind die Mörtelporositäten der Mörtel aus den Randproben (blau) und aus den Kernproben (gelb). Das Probenalter und die Vorlagerungsbedingungen entsprachen den Festlegungen in CEN/TS Bei einem Vergleich unter Einbeziehung aller 28 Tage alten Mörtelproben fällt auf, dass sich die mittleren Kernporositäten der vier Mörtel mit CEM II und CEM III (Ø CEM II/CEM III : 8,9 Vol.-%) von den mittleren Kernporositäten der vier Mörtel mit CEM I (Ø CEM I : 8,6 Vol.-%) nicht wesentlich unterscheiden. Erwartungsgemäß fallen jedoch bei den Mörteln mit allen Zementen die Porositäten der Randproben deutlich höher aus als die der Kernproben. Bei differenzierter Betrachtung wird deutlich, dass die 28-Tage-Porosität der Kernproben der einzelnen Zementpaare vergleichbar sind. Offensichtlich führen gleiche Zementfestigkeitsklassen (unabhängig von der Zementart) bei optimalen Bedingungen zu vergleichbaren Gefügeausbildungen. Lediglich der Mörtel mit CEM II/A-LL weist eine höhere Kernporosität auf (+3,5 %) als die zugehörige CEM I-Probe. Die Ursache für diese höhere Porosität konnte nicht eindeutig geklärt werden. Vermutet wird, dass sie auf die Kalksteineigenporosität zurückzuführen ist. Demgegenüber sind die Porositäten der CEM II- und CEM III-Mörtel an der Oberfläche etwa zwischen 1,5 Vol.-% und 5 Vol.-% größer als die Porositäten der zugehörigen CEM I-Mörtel. Lediglich die CEM II/A-V-(B)-Randprobe weist eine geringere Oberflächenporosität auf als die CEM I-Probe. Fasst man alle Mörtelproben zusammen, weisen die Mörtel mit CEM I und die mit CEM II und CEM III mit jeweils 14,3 Vol.-% den gleichen Mittelwert der Randporosität auf. Die Porositäten der Mörtel im Randbereich sind direkt von den Vorlagerungsbedingungen und von der Vorlagerungszeit beeinflusst. Die Lagerung im Normklima, die zu einer verstärkten Karbonatisierung und Austrocknung führt, hat einen besonders starken Einfluss auf die Randporosität der meisten CEM IIund CEM III-Betone im Vergleich zu den zugehörigen CEM I-Betonen; siehe hierzu auch z.b. [8]. Erfahrungsgemäß ist die Hydratation von hüttensand- bzw. flugaschehaltigen Zementen nach 28 Tagen noch nicht abgeschlossen, so dass mit zunehmendem Alter dieser Betone noch eine zusätzliche deutliche Abnahme der Porosität zu erwarten ist. Diese wirkt sich positiv auf die Dauerhaftigkeitsparameter aus. Das bedeutet aber auch, dass die Leistungsfähigkeit dieser Zemente in höherem Alter noch ansteigt. Bild 7: Porositäten der Randbereiche und Kernbereiche der Mörtel. Die Proben wurden 1 d in der Form gelagert, 6 d unter Wasser und 21 d im Normklima (20 C/65 % r. F.). Bild 8: Gegenüberstellung der Entwicklung der absoluten 7-Tage- und 28-Tage-Druckfestigkeiten der ausgewählten Betone 61

8 In Bild 8 sind die 7-Tage- und 28- Tage-Druckfestigkeiten der Betonpaare gegenübergestellt. Mit Ausnahme des Zementpaares D weisen alle CEM II- und CEM III-Betone eine geringere Frühfestigkeit im Vergleich zu den jeweiligen Portlandzementbetonen auf. Dies hängt mit der langsameren Hydratationsgeschwindigkeit zusammen. Die ermittelten 28-Tage-Druckfestigkeiten der CEM II- und CEM III-Betone sind mit denen der CEM I-Betone vergleichbar. Auch die Zemente aus Werk A, die sich hinsichtlich ihrer Festigkeitsklasse unterscheiden (Tafel 1), zeigen im Beton ähnliche 28- Tage-Druckfestigkeiten. Damit ist sichergestellt, dass die Betonpaare bei der Frostprüfung miteinander vergleichbar sind. Die Ergebnisse belegen, dass der Einfluss der Vorlagerungsbedingungen auf die mit dem Quecksilberdruckporosimeter bestimmte Porosität lediglich ein oberflächlicher Einfluss sein kann. Ansonsten müssten die 28-Tage-Festigkeiten der CEM IIund CEM III-Betone deutlich niedriger ausfallen als die der CEM I- Betone. Aufgrund der auch nach 28 Tagen noch fortschreitenden Hydratation hüttensand- und flugaschehaltiger Zemente werden die CEM II- und CEM III-Betone langfristig die Festigkeiten der CEM I- Betone übertreffen. 6.2 Frostwiderstand, geprüft nach CEN/TS Im zweiten Projektteil wurde der Frostwiderstand der Betonpaare CEM II/CEM III CEM I mit den Prüfverfahren nach CEN/TS untersucht. Die Ergebnisse sind in Bild 9 dargestellt. Für die einzelnen Verfahren wurden in der Grafik jeweils die gleichen Farben gewählt. Da keine europäisch einheitlichen Grenzwerte für die Frostprüfung definiert sind, werden die Abwitterungen mit in Deutschland bzw. Skandinavien vorgeschlagenen nationalen Grenzwerten beurteilt Plattenprüfverfahren Der beim Plattenprüfverfahren (Slab test) gewählte vorgeschlagene Grenzwert von g/m 2 stammt aus der schwedischen Norm [22]. Dieser Wert gilt eigentlich als vorgeschlagener Grenzwert für den Frost- Tausalz-Widerstand. Da allerdings kein anderer Grenzwert definiert ist, werden die Versuchsergebnisse auf diesen Wert bezogen. Alle untersuchten Betonproben wiesen Abwitterungen auf, die deutlich unterhalb dieses Grenzwerts lagen. Da bei diesem Verfahren angeschliffene Proben geprüft werden, lagen die gemessenen absoluten Abwitterungen erwartungsgemäß niedriger als bei den anderen beiden Verfahren. Die Abwitterungen der CEM II- und CEM III-Betone sind beim Plattenprüfverfahren zwar gering, aber doch etwas höher als die der zugeordneten Portlandzementbetone (Bild 9) Würfelverfahren Beim Würfelverfahren ist der empfohlene Grenzwert 5 M.-% nach 100 Zyklen für die Expositionsklasse XF3 bzw. 10 M.-% nach 100 Zyklen für die Expositionsklasse XF1 [11, 18]. Für die in Bild 9 dargestellten Abwitterungen im Würfelverfahren gilt die rechte Ordinate. Auch bei diesem Verfahren lagen die gemessenen Abwitterungen mit 0,1 M.-% bis 1,3 M.-% deutlich unter dem vorgeschlagenen Grenzwert für die Expositionsklasse XF3. Beim absoluten Vergleich der Abwitterungen der CEM II- und CEM III-Betone mit denen der CEM I-Betone zeigte sich wiederum, dass die Messwerte der Abwitterungen bei den Betonen mit Portlandzement geringer waren. Bild 9: Ergebnisse der Frostprüfungen nach CEN/TS [5]. Die Abwitterung des CF-Tests und des Plattenprüfverfahrens (Slab test) sind in g/m 2, die Abwitterungen des Würfelverfahrens sind in M.-% angegeben CF-Test Der ursprünglich empfohlene Grenzwert bei diesem Prüfverfahren betrug zu Beginn des Projekts g/m 2 nach 56 Zyklen [23]. Ende 2004 wurde der empfohlene Grenzwert auf g/m 2 nach 28 Zyklen (in 14 Tagen) geändert [19]. Die dargestellten Abwitterungen beziehen sich auf 62 Copyright by Verlag Bau+Technik GmbH, Düsseldorf ( Beton-Informationen 5/6 2008

9 die alte Regel, d.h g/m 2 nach 56 Zyklen. Alle Betone, sowohl die mit CEM II und CEM III als auch die mit CEM I, wiesen in dieser Untersuchung Abwitterungen auf, die unter dem alten Grenzwert lagen. Auch der neue empfohlene Grenzwert wird von keiner der Proben überschritten. Damit können alle untersuchten Betone als Betone mit hohem Frostwiderstand bezeichnet werden. Beim Vergleich der absoluten Abwitterungen der CEM II/CEM III-CEM I- Paare untereinander wird deutlich, dass alle CEM II/CEM III-Betone größere Abwitterungen aufweisen als die zugehörigen CEM I-Betone. Eine Ausnahme bildet der CEM II/B-S-Beton (Probe B), dessen absolute Abwitterung im gleichen Bereich liegt wie die des zugehörigen CEM I-Betons. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass alle untersuchten CEM II/CEM III- und CEM I-Betone nach allen drei Prüfverfahren nur sehr geringe Abwitterungen zeigten und daher als Betone mit hohem Frostwiderstand gelten dürfen. Diese Betone erfüllen sogar die vorgeschlagenen strengen Grenzwerte für die Expositionsklasse XF3, obwohl sie nach den deutschen Anwendungsregeln [3] lediglich die Anforderungen an die Zusammensetzung für Beton für die Expositionsklasse XF1 erfüllen. Betone der Expositionsklasse XF1 werden in der Regel nicht mit den Verfahren der CEN/TS beurteilt. Auffällig ist, dass die gemessenen Abwitterungen der Betone mit CEM II und CEM III in der Regel größer waren als die der jeweils zugehörigen CEM I-Betone. Da bei dem Projekt gezielt Betonzusammensetzungen verwendet wurden, die nach Aussagen der zuständigen Werksbauberater ausnahmslos seit Jahren in der Praxis eingesetzt werden und sich dort gleichwertig bzgl. des Frostwiderstands verhalten, führt der Vergleich der absoluten Abwitterungsmengen offensichtlich zu einem falschen Schluss über den Frostwiderstand von Betonen. Die Porositätsergebnisse aus dem erste Projektteil geben einen klaren Hinweis darauf, dass die Diskrepanz zwischen den Praxiserfahrungen und den Prüfergebnissen mit Unterschieden in der Ausbildung der Zementsteinporosität des Randbereichs zu Beginn der Frostbeanspruchung zusammenhängt. 6.3 Frostwiderstand bei vergleichbarem Hydratationsgrad Im dritten Projektteil wurde untersucht, ob sich die Vergleichbarkeit der gemessenen Abwitterungen der CEM II/CEM III-Betone mit denen der zugehörigen CEM I-Betone verbessert, wenn auch die Ausgangssituation (Hydratationsgrad bzw. Matrixporosität) vergleichbar ist. Die Porositätsergebnisse weisen darauf hin, dass eine optimale Vorlagerung, wie sie z.b. im Kernbereich der Prüfkörper gegeben ist, auch zu vergleichbaren Porositäten bei den untersuchten Zementen führen kann. Zudem ist bekannt, dass z.b. langsam erhärtende Betone erst im späteren Alter eine mit CEM I-Betonen vergleichbare Leistungsfähigkeit aufweisen. Deshalb wurden in diesem letzten Projektteil modifizierte Vorlagerungsbedingungen gewählt: LA: 1 d Form, 6 d unter Wasser, 21 d in Folie bei 20 C LB: 1 d Form, 6 d unter Wasser, 49 d in Folie bei 20 C LC: 1 d Form, 6 d unter Wasser, 77 d in Folie bei 20 C Da im zweiten Projektteil der CF-Test das schärfste Verfahren war, wurde die Prüfung des Frostwiderstands im letzten Versuchsteil nur noch mit dem CF-Test durchgeführt. Die Versuche mit den CEM I-Betonen wurden nicht wiederholt. Alle Ergebnisse der Untersuchung sind in den Bildern 10 bis 13 dargestellt. Allgemein wurden bei dem Versuch nur geringe Abwitterungen ermittelt. Die Abwitterungen aller Proben liegen, wie bereits in der ersten Versuchsreihe, weit unter dem empfohlenen Grenzwert (< g/m 2 nach 56 Frost-Tau-Wechseln gemäß [23]). Bei allen modifizierten Lagerungen (LA bis LC) sind die Abwitterungen bei den Betonen mit CEM II und CEM III deutlich geringer als bei der Standardlagerung. Die an den Betonen C und D bestimmten Abwitterungen liegen nun unter den Abwitterungen der jeweiligen Portlandzementbetone. Die Abwitterungen der Betone A und B liegen im Bereich der zugehörigen CEM I- Betone. Die modifizierten Lagerungen haben demnach erwartungsgemäß zu einem dichteren und widerstandsfähigeren Gefüge geführt. Interessant ist, dass bereits die Lagerungsart LA, bei der nicht die Lagerungsdauer geändert, sondern die Prüfkörper bis zum Prüftermin in Folie gelagert wurden, zu einer deutlich geringeren Abwitterung bei der Prüfung geführt hat. Die verlängerten Lagerungszeiten (LB, LC) reduzieren im Vergleich zur Lagerungsart LA die absolute Abwitterung dann nur noch bei dem Beton mit CEM II/A-V (B). Das Ergebnis lässt sich mit dem Zusammenhang erklären, der zwischen der Abwitterungsmenge des CF-Tests und dem Variationskoeffizienten besteht; siehe hierzu [24]. Je niedriger die ab- 63

10 Bild 10: CF-Test: Ergebnisse nach der Standardlagerung: 1 d in der Form, 6 d in Wasser, 21 d bei 20 C/65 % r. F. (der rote Balken markiert das Niveau der Standardlagerung) Bild 11: CF-Test: Ergebnisse nach der modifizierten Lagerung LA: 1 d in der Form, 6 d in Wasser, 21 d in Folie (der rote Balken markiert das Niveau der Standardlagerung) Bild 12: CF-Test: Ergebnisse nach der modifizierten Lagerung LB: 1 d in der Form, 6 d in Wasser, 49 d in Folie (der rote Balken markiert das Niveau der Standardlagerung) Bild 13: CF-Test: Ergebnisse nach der modifizierten Lagerung LC: 1 d in der Form, 6 d in Wasser, 77 d in Folie (der rote Balken markiert das Niveau der Standardlagerung) soluten Abwitterungen sind, desto größer werden die Prüfstreuungen bei den Frostprüfverfahren. An dieser Stelle muss noch einmal deutlich darauf hingewiesen werden, dass es nicht sinnvoll ist, gemessene absolute Abwitterungen verschiedener Betonproben miteinander zu vergleichen. Die Prüfpräzision der Verfahren wird für einen derartigen Vergleich mit abnehmender Abwitterungsmenge zu ungenau; siehe auch hierzu [24]. Die Studie verdeutlicht, dass geringe Änderungen in der Vorlagerung bereits zu deutlich anderen Abwitterungsraten führen. Daher sollten die Vorgaben der CEN/TS [5] streng befolgt werden und die Ergebnisse mit anerkannten vorgeschlagenen Grenzwerten bewertet werden. 7 Zusammenfassung Im HeidelbergCement Technology Center wurde in einer umfangreichen Studie untersucht, wie genau die Verfahren der technischen Spezifikation CEN/TS [5] den tatsächlichen Frostwiderstand von Betonen mit Portlandzement (CEM I), mit Portlandkompositzement (CEM II) und mit Hochofenzement (CEM III) im Vergleich mit der Praxiserfahrung widerspiegeln. Hierzu wurden aus vier europäischen Zementwerken jeweils ein CEM I- und ein CEM II- bzw. CEM III-Zement verwendet. Für diese Zemente wurden jeweils regional gebräuchliche Betonzusammensetzungen gewählt, mit denen seit Jahren in den entsprechenden Regionen Betone hergestellt wurden, die sich in der Praxis als frostbeständig erwiesen haben. Alle Betone des Projekts haben die gewählten Grenzwerte nicht überschritten und dürfen damit als Betone mit hohem Frostwiderstand gelten. Bei der Betrachtung der Abwitterungsmengen zeigten die Betone mit CEM II bzw. CEM III im Vergleich 64 Copyright by Verlag Bau+Technik GmbH, Düsseldorf ( Beton-Informationen 5/6 2008

11 zu den Betonen mit CEM I nach der Normlagerung größere Abwitterungen im Randbereich. Diese etwas größeren oberflächlichen Abwitterungen konnten mit ebenfalls leicht erhöhten Porositäten im Randbereich der CEM II- bzw. CEM III-Betone zum Zeitpunkt der Prüfung in Zusammenhang gebracht werden. Durch die Modifizierungen der Vorlagerungsbedingungen wurde den Betonen mit CEM II bzw. CEM III die Möglichkeit gegeben, vor Prüfbeginn ein mit den CEM I-Betonen vergleichbares, dichtes und vor allem vergleichbar festes Gefüge im Randbereich zu entwickeln. Die ungünstigeren Karbonatisierungsbedingungen der Lagerung bei Normklima wurden durch die Lagerung in Folie unterbunden. Durch diese Modifizierungen lagen die Abwitterungsraten im Bereich der CEM I-Betone, z.t. sogar darunter. Dies wird durch die Praxis bestätigt. So empfiehlt z.b. das Merkblatt Frostprüfung von Beton der BAW [19] für langsam erhärtende Betone eine Vorlagerung von 14 Tagen (statt 7 Tagen) unter Wasser und sieht eine Prüfung zu einem späteren Zeitpunkt vor. Die Bewertung des Frostwiderstands von Betonen unterschiedlicher Zusammensetzung sollte anhand anerkannter Grenzwertkriterien erfolgen. Graduelle Abstufungen in den ermittelten Abwitterungen sind aufgrund der Präzision der Prüfungen und aufgrund unterschiedlicher Betoncharakteristiken nicht sinnvoll. 8 Literatur [1] Detwiler, R. J.; Taylor, P. C.: Specifier s guide to durable concrete. PCA- Engineering Bulletin, Nr. 221, [2] Rønning, T. F.: Freeze thaw resistance of concrete Effect of: Curing conditions, moisture exchange and materials. Dissertation. Norwegian Institute of Technology, [3] DIN : : Tragwerke aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton Teil 2: Beton Festlegung, Eigenschaften, Herstellung und Konformität Anwendungsregeln zu DIN EN [4] NBN B : Aanvulling op NBN EN Beton Eisen, gedraging, vervaarding en overeenkostgheid Supplement to NBN EN Concrete Specification, performance, production and confirmity. Belgische Norm, [5] CEN/TS : Testing hardened concrete Part 9: Freezethaw resistance scaling. [6] Auberg, R.: Zuverlässige Prüfung des Frost- und Frost-Tausalz-Widerstands von Beton mit dem CDF- und CIF-Test. In: Mitteilungen aus dem Institut für Bauphysik und Materialwissenschaften der Universität Gesamthochschule Essen (1999), Nr. 6. [7] Fagerlund, G.: Internal frost attack: State of the art. M.J. Setzer and R. Auberg (eds.): Frost resistance of concrete. London (u.a.): E&FN Spon, 1997, S [8] Ludwig, H. M.: Zur Rolle der Phasenumwandlungen bei der Frostund Frost-Tausalz-Belastung von Beton. Dissertation. Weimar, [9] Pigeon, M.; Pleau, R.: Durability of concrete in cold climates. London: E&FN Spon, [10] Powers, T. C.: Freezing effects in concrete. Paper from symposium sessions, Atlantic City, New Jersey and Ottawa, Ontario, Durability of concrete, SP-47, American Concrete Institute, Detroit, 1975, S [11] Siebel, E.: Frost- u. Frost-Tausalz- Widerstand von Beton, Beurteilung mittels Würfelverfahren. Beton 42 (1992) Nr. 9, S [12] Powers, T. C.: A working hypothesis for further studies of frost resistance of concrete. ACI Journal 41 (1945), S [13] Powers, T. C.; Helmuth, R. A.: Theory of volume changes in hardened Portland cement pastes during freezing. Highway Research Board Proceedings 32 (1953), S [14] Grübel, G.: Über die Rolle des Eises im Gefüge zementgebundener Baustoffe. Beton 31 (1981) Nr. 2, S [15] Setzer, M. J.: Einfluss des Wassergehalts auf die Eigenschaften des erhärteten Beton. DAfStb-Heft 280, 1977, S [16] Falbe, J.; Regitz, M. (Hrsg.): Römpp Chemie Lexikon, 9. Aufl., Stuttgart [17] Utgenannt, P.: The Influence of ageing on the salt-frost resistance of concrete. Dissertation. Lund Institute of Technology, [18] Siebel, E.; Brameshuber, W.; Brandes, C.; Dahme, U.; Dehn, F.; Dombrowski, K.; Feldrappe, V.; Frohburg, U.; Guse, U.; Huß, A.; Lang, E.; Lohaus, L.; Müller, C.; Müller, H. S.; Palecki, S.; Petersen, L.; Schröder, P.; Setzer, M. J.; Weise, F.; Westendarp, A.; Wiens, U.: Sachstandbericht Übertragbarkeit von Frost-Laborprüfungen auf Praxisverhältnisse. DAfStb-Heft 560, [19] BAW-Merkblatt Frostprüfung von Beton : Bundesanstalt für Wasserbau Karlsruhe, Hamburg, Ilmenau, Dezember [20] CEN/TR 15177: Prüfung des Frost- Tauwiderstandes von Beton Innere Gefügestörung. Technischer Bericht, April [21] Pichler, W.: Dauerhafte Betonverkehrsfläche: Die Betondecke auf der Mölltalstraße wird 50 Jahre alt. Update Nr. 3 (2005). [22] SS Concrete testing; Scaling at freezing. Swedish Standard; Stockholm, Sweden. [23] Setzer M.-J. et al.: RILEM Draft recomandation for test methods for the freeze-thaw resistance of concrete. Test with water (CF) or with sodium chloride solution (CDF). RILEM 117-FDC Freeze-thaw and de-icing resistance of concrete. Materials and Structures 28 (1995), S [24] Siebel, E.; Breit, W.: Ergebnisse eines europäischen Ringversuchs Frostund Frost-Tausalz-Prüfverfahren. Betonwerk+Fertigteil-Technik 65 (1999), Heft 11, S