DEUTSCHER BETON- UND BAUTECHNIK-VEREIN E.V. RUNDSCHREIBEN 215 Anlage 2 Dezember 2007 Frostschäden an Brückenkappen Franka Tauscher Lutz Pisarsky
3 Frostschäden an Brückenkappen Franka Tauscher, Bundesanstalt für Straßenwesen, Bergisch Gladbach Lutz Pisarsky, Deutscher Beton- und Bautechnik-Verein E.V., Hamburg 1. Einleitung Alle Brückenkappen an Bundesfernstraßen sind als Außenbauteile der Witterung und als Bauteile am Rande stark befahrener Straßen zusätzlich Spritzwasser, Sprühnebel und saisonal auch Tausalzen ausgesetzt. Die Frost-Tausalz-Beanspruchung des Betons resultiert aus der witterungsbedingten Temperaturwechselbeanspruchung mit Temperaturen oberhalb und unterhalb des Gefrierpunktes und aus der Tausalzbeaufschlagung bei gleichzeitiger hoher Wassersättigung des Betons. Der Widerstand von Brückenkappen gegen Frostschäden resultiert einerseits aus der Dichtheit des Betons und dem hohen Frost-Tausalz-Widerstand der Betonkomponenten und andererseits aus konstruktiven Maßnahmen, die der Vermeidung von aufstehendem Wasser auf vorwiegend horizontalen Bauteiloberflächen dienen. Sind horizontale Bauteiloberflächen nicht zu vermeiden, wie z.b. bei Brückenkappen, ist ergänzend ein wirksames Luftporensystem im Beton erforderlich, um dem gefrierenden Wasser ausreichend Raum zur Ausdehnung zu geben und damit den schädigenden Gefrierdruck im Porensystem zu reduzieren. Die Maßnahmen zur Vermeidung von Frost-Tausalz-Schäden an Brückenkappen sind über die Betonzusammensetzung in ZTV-ING 3-1 zusammen mit DIN-Fachbericht 100 und über die Anforderungen an Einbau, Überwachung und Nachbehandlung in ZTV-ING 3-2 zusammen mit DIN 1045-3 festgelegt. Für Brückenkappen wird bei den Anforderungen an die Grenzwerte der Betonzusammensetzung sowohl der gute Frost-Tausalz-Widerstand der Betonoberfläche berücksichtigt, die zusammen mit der Betondeckung die Bewehrung vor Korrosion schützt, als auch eine für diese langgestreckten und dehnungsbehinderten Bauteile angepasste Betonfestigkeit(sentwicklung), mit der Risse von schadensinduzierender Breite vermieden werden können. Durch konstruktive Maßnahmen wird das tausalzhaltige Oberflächenwasser zügig von der Kappenoberfläche abgeleitet. 2. Schadensbilder von Frost-Tausalz-Schäden an Brückenkappenbeton Frost-Tausalz-Schäden an Brückenkappen treten in der Regel innerhalb der ersten 1 bis 3 Winterperioden unter Verkehr auf. Sie zeigen sich zumeist als flächige bzw. teilflächige Abwitterungen der Mörtelmatrix an der Betonoberfläche oder auch als lokal begrenzte Abwitterungen über der Gesteinskörnung. Die Abwitterungen werden häufig erst im Verlauf des Jahres gut sichtbar, wenn die Betonoberfläche abgetrocknet ist und Feucht-Trocken- wie auch Warm-Kalt-Wechseln ausgesetzt gewesen ist. Durch diese Wechsel vergrößern sich vorhandene Mikrorisse und die Oberflächenschicht löst sich lokal ab. Die Abwitterungen der Mörtelmatrix an der Betonoberfläche können flächig-blättrig (Bild 1) oder eher lokal, punktförmig (Bild 2, Bild 3) beginnen. Mit dem Besenstrich beginnend wittern mit fortschreitendem Schädigungsgrad einzelne Mörtelschichten meist flächig ab. Bei demselben Bauwerk können geschädigte und ungeschädigte Betonoberflächen in unmittelbarer Nachbarschaft z. B. getrennt durch eine Arbeitsfuge zueinander liegen (Bild 4). Ein eher seltenes, aber sehr aussagekräftiges Schadensbild gibt Bild 5 wieder. Durch die besondere Form des Kappengesims liegt Beton, der von der Schalung abgedeckt erhärtete,
4 neben solchem, der mit Besenstrich versehen wurde und ohne Abdeckung durch eine Schalung erhärtete. Der Beton ist in beiden Bereichen der gleiche, allein die Nachbehandlung ist unterschiedlich. Bei Frost-Tausalz-Schäden unterscheidet man, ob sich nur eine dünne Zementmörtelschicht über einzelnen Gesteinskörnern mit glatter Oberfläche ablöst (Bild 6) oder ob die Gesteinskörner selbst zerfrieren (Bild 7). Bild 1: Flächig-blättrige Abwitterungen der Kappenoberfläche Bild 2: Lokale, punktförmige Abwitterungen der Kappenoberfläche Bild 3: Abwitterung am Schrammbord Bild 4: Unterschiedlich stark geschädigte Betonierabschnitte Bild 5: Ungeschädigtes, in Schalung hergestelltes Gesims in unmittelbarer Nachbarschaft zur verwitterten, ohne Schalung hergestellten Kappenoberfläche Bild 6: Abwitterung einer dünnen Zementmörtelschicht über der Gesteinskörnung
5 Bild 7: Punktförmige Abwitterung über nicht frostbeständigem Zuschlagkorn 3. Schädigungsmechanismen Schäden im Betongefüge durch Frost- und Frost-Tausalz-Einwirkung entstehen entweder durch chemische oder physikalische Vorgänge. Der chemische Vorgang beruht auf der Frostunbeständigkeit bestimmter Mineralphasen, die zum Teil erst bei Bewitterung und bei Tausalzeinwirkung des Betons entstehen. Details dazu sind z. B. in [1] enthalten. Beispielhaft sei hier die Karbonatisierung von hüttensandhaltigem Beton genannt. Die Karbonatisierungsprodukte der CSH-Phasen hüttensandhaltiger Betone sind höher porös als die nicht karbonatisierten CSH-Phasen und nicht frostbeständig. Der physikalische Vorgang geht vereinfacht dargestellt auf den Dichtesprung von Wasser beim Gefrieren zurück. Wasser vergrößert sein Volumen beim Gefrieren um 9 %. Eine detaillierte Beschreibung des Mechanismus ist z. B. in [1] enthalten. Wird die Ausdehnung des Wassers im Beton durch Porenwände behindert, entsteht ein Überdruck. In einer zu Beginn des Gefrierens voll mit Wasser gefüllten Pore kann der Druck auf die Porenwände die Zugfestigkeit des Betons überschreiten und eine Gefügezerstörung verursachen. Das Betongefüge muss demnach eine Mindestfestigkeit haben, um Frost-Tauwechsel schadlos ertragen zu können. In nur teilweise mit Wasser gefüllten Poren entsteht hingegen kein Gefrierdruck, wenn genug Ausdehnungsraum für das gefrierende Wasser vorhanden ist. Schäden über Gesteinskörnern gehen entweder auf eine geringe Dicke der Zementleimschicht über Gesteinskörnungen mit glatter, nicht poröser Oberfläche zurück oder die Gesteinskörner selbst haben keinen ausreichenden Frost- und Frost-Tausalz-Widerstand. 4. Ursachen von flächigen- und teilflächigen Abwitterungen Flächige- und teilflächige Abwitterungen als Ergebnis von Frost-Tausalz-Beanspruchung auf Brückenkappen von Bundesfernstraßen sind in der Regel auf eine zu hohe Porosität des Betons, begleitet von geringer Festigkeit oder auf ein nicht wirksames Luftporensystem im Beton zurückzuführen. Ursachen für eine zu hohe Porosität des Betons können ein zu hoher Wasserzementwert bzw. ein zu geringer Hydratationsgrad sein. Ist die Brückenkappe über die ganze Dicke betroffen, liegen Fehler in der Wasserzugabe zum Beton nahe. Häufiger ist jedoch eine hohe
6 Porosität des oberflächennahen Bereichs der Kappen. Ein auf die Randzone beschränkter zu hoher Wasserzementwert kann in der Regel auf Bluten des Betons, falsch aufgebrachten Besenstrich oder Regen beim Einbau zurückgeführt werden. Wird z. B. beim Aufbringen des Besenstrichs zu viel Wasser auf die Betonoberfläche aufgebracht, erhöht dieses Nässen den Wasserzementwert und damit die Porosität der Randzone. Ein zu geringer Hydratationsgrad oder eine zu geringe Reife infolge des Austrocknens der Betonrandzone ist in der Regel auf nicht angemessene Nachbehandlung zurückzuführen. Zur Erläuterung des Begriffs angemessene Nachbehandlung wird im Folgenden etwas weiter ausgeholt. Der Hydratationsgrad stellt ein Maß für die chemische Reaktion des Bindemittels dar. Mit der chemischen Reaktion nimmt das Volumen des Bindemittels zu. Die Reaktionsprodukte belegen den mit dem Wasserzementwert vorgegebene Porenraum des Betons. In übertragenem Sinne wächst der Kapillarporenraum des Betons durch die Volumenzunahme der Hydratationsprodukte mit zunehmendem Hydratationsgrad zu. Die Porosität des Betons nimmt in gleichem Maße ab. Langsam reagierende Bindemittelbestandteile benötigen für die Bildung des gleichen Volumens der Hydratationsprodukte eine längere Nachbehandlungsdauer als schnell reagierende. Zudem nimmt bei niedrigen Temperaturen die Reaktionsgeschwindigkeit der Bindemittel mit der Zeit überproportional ab; die Nachbehandlungsdauer muss entsprechend überproportional verlängert werden. Das Nachbehandlungskonzept von DIN 1045-3 trägt diesen Zusammenhängen Rechnung. Aber nicht nur die Dauer der Nachbehandlung der Betonoberfläche ist entscheidend für die Dichtigkeit und den Frost-Tausalz-Widerstand, sondern auch in gleichem Maße der Beginn. Nur eine Nachbehandlung, bei der die Frischbetonoberfläche unmittelbar nach Einbringen und Abziehen ausreichend vor Verdunstung des Wassers geschützt wird, führt zu einer optimal dichten Porenstruktur. Das Luftporensystem von Kappenbeton muss gewisse Anforderungen an Menge, Form und Größe der Luftporen sowie deren Verteilung im Beton erfüllen. Dieses Luftporensystem wird mit speziellen Betonzusatzmitteln erzeugt. Luftporen im Beton unterbrechen die Kapillaraktivität der Poren und vergrößern den Ausweichraum für gefrierendes Wasser. Der Sättigungsgrad von Luftporenbeton ist demnach bei gleichem Wassergehalt geringer als der des Betons ohne Luftporen. Auf Seiten der Betonherstellung können Fehler in der Dosierung der Luftporenbildner und unerwünschte Wechselwirkungen zwischen Luftporenbildner und anderen Betonzusatzmitteln, wie z. B. Fließmittel, ebenso wie zu hohe Hüttensandgehalte oder zu flüssige Konsistenz ursächlich für Frost-Tausalz-Schäden sein. Aber auch durch unsachgemäße Behandlung der Frischbetonoberfläche im Bauteil können Luftporen im Beton zerstört, sozusagen kaputtgerieben, werden. 5. Maßnahmen zur Vermeidung von Abwitterungen an Brückenkappen In jüngster Zeit sind gravierende Schäden an Brückenkappen beobachtet worden, die Anlass dazu geben, auf die Bedeutung einer angemessenen Nachbehandlung und den Einsatz möglichst robuster Kappenbetone hinzuweisen. War früher der Einsatz eines CEM I-Zementes (nahezu reiner Portlandzementklinker) zur Herstellung eines Kappenbetons üblich, so werden zukünftig angebotsbedingt mehr und mehr CEM II-Zemente (Portlandzementklinker mit anderen Bindemittelzusätzen) zur Herstellung von Kappenbeton verwendet.
7 Je weniger Portlandzementklinker in einem Beton enthalten ist, desto wichtiger wird für eine dichte Betonoberfläche auch die Zeitspanne zwischen dem Betoneinbringen und dem Aufbringen des Besenstrichs. Flüssige Nachbehandlungsmittel können erst nach Aufbringen des Besenstrichs appliziert werden. Bei ungünstiger Witterung und fehlendem Schutz des Betons reicht die Zeitspanne dazwischen möglicherweise aus, um bei nachbehandlungsempfindlichen Betonen (z. B. Betone mit CEM II/B-Zement als Bindemittel) so viel Frischbetonwasser aus der Betonrandzone verdunsten zu lassen, dass die Oberflächenporosität erhöht und der Frost-Tausalz-Widerstand reduziert wird. Neben dem Aufstellen von Schutzzelten ist das Abdecken des Kappenbetons mit Folie die wirksamste Methode zur Verhinderung des Verdunstens von Zugabewasser aus dem Frischbeton im Zeitraum zwischen dem Betonieren und dem Aufbringen des Besenstrichs. Hier bietet sich ein sogenannter Kappenrahmen [2] an, auf dem eine Folie bzw. Dichtschicht so aufgebracht wird, dass der Raum zwischen Kappenbeton und Folie geschlossen ist und die Folie die Betonoberfläche nicht berührt. Dieses Verfahren ist allerdings zeit- und kostenaufwändiger als die bisher üblichen Nachbehandlungsverfahren. Das Aufnehmen einer solchen Nachbehandlung in die Ausschreibung und die Einheitspreisliste wäre anzustreben. Betone mit CEM I-Zementen als Bindemittel haben sich über Jahre als Kappenbetone bewährt. Da aus ökologischen Gründen das Angebot an Betonen mit CEM I-Zementen zurückgeht und mancherorts solche Betone gar nicht mehr geliefert werden, sollten robuste nachbehandlungsunempfindliche Betone mit CEM II-Zementen entwickelt werden, um auch zukünftig unter Baustellenbedingungen zielsicher dauerhafte Brückenkappen herstellen zu können. Literatur [1] Siebel, E., u. a.: Übertragung von Frost-Laborprüfungen auf Praxisverhältnisse. Sachstandbericht. Hrsg. Deutscher Ausschuss für Stahlbeton, Heft 560. Berlin: Beuth-Verlag GmbH 2005. [2] Tauscher, F.: Frostschäden an Ingenieurbauwerken. Hrsg. Deutscher Beton- und Bautechnik Verein E.V. DBV-Heft Nr. 13, S. 49 56. Berlin: Eigenverlag 2007.
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