Einfluss der Alterung auf die innere und äußere Schädigung von Hochleistungsbeton unter Frost- und Frost-Tausalzbelastung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen dieses Projektes konnte gezeigt werden, dass sich sowohl bei Normalbeton, als auch hochfesten Betonen die innere und äußere Schädigung bei längerer Laborlagerung negativ verändern kann. Andererseits weisen aber auch einige Betone über Jahre trotz der Lagerung unter Laborbedingungen einen hohen Frost-Tausalzwiderstand auf. In nahezu allen Fällen konnte aber bei längerer Laborlagerung eine Zunahme der Abwitterung sowie eine teilweise deutliche Verschlechterung des Frost- und Frost-Tausalzwiderstandes beobachtet werden, was aus einer höheren Sättigungsgeschwindigkeit der Betone mit höherem Prüfalter sowie fortschreitenden Karbonatisierung resultiert. Dieses Verhalten zeigten die über mehrere Jahre freigelagerten Proben nachher in der CDF-Prüfung nicht. Durch die in allen Fällen stetig zunehmende Austrocknung der oberflächennahen Schichten nehmen alle Betone mit höherem Prüfalter mehr Feuchte kapillar auf. Beide Effekte - Karbonatisierung und Austrocknung - beeinträchtigen die Ausbildung einer intakten Randzone. Phasenumwandlungen und fehlende Nachhyratation spielen hier eine Rolle. Durch den durch kapillares Saugen höheren Feuchtegehalt innerhalb der ersten Schichten finden nun vermehrt Mikroeislinsenbildungen und Wasserumverteilungen während des Gefrierens statt. Die Abwitterung nimmt dabei mit dem Prüfalter linear zu und ist von der Zusammensetzung des Betons stark abhängig. Dabei korrelieren bei vielen Betonen Abwitterungsrate, Feuchteaufnahme und innere Schädigung in Abhängigkeit des Prüfalters miteinander. Obwohl hier unterschiedliche Schadenmechanismen vorliegen wird die Randzone durch die Alterung so entscheidende beeinflusst, dass diese besonders bei dichten Betonen der elementare Faktor für den Feuchtezutritt zu. Gleichzeitig liegt im Kern des Betons nach längeren Lagerung ein erhöhter Gehalt an Schrumpfporen, insbesondere bei den Silikabetonen vor, aber auch ein höhere Anteil an größeren Mesogel- und Mikrokapillarporen. Diese sind für die Effektivität der Mikroeislinsenpumpe relevant. Insofern kann in erster Linie eine Abhängigkeit des Frostwiderstandes von der Sättigungsgeschwindigkeit des Betons beobachtet werden. Insgesamt nimmt die Saugrate während der Befrostung unabhängig von der Zusammensetzung mit dem Prüfalter ebenfalls linear zu. Flugaschehaltige Betone weisen aufgrund des geringeren Reaktionsgrades der Flugasche und teilweise schlechteren Einbindung der Flugaschepartikel eine schnellere Feuchteaufnahme während der Befrostung auf. Ein Transportwiderstand während des Frostsaugens kann bei den Betonen, die einer Laborlagerung ausgesetzt waren, trotz des pore blocking effects nur bis zu einem Alter von 180 Tagen beobachtet werden. Die Ergebnisse zum Austrocknungsverhalten von Betonen mit Flugasche deuten darauf hin, dass sich im Gegensatz zu den anderen Mischungen kein Feuchtegradient während der Laborlagerung ausbildet und die Austrocknung schneller voran schreitet. Aufgrund dessen und der zudem höheren Menge an verdampfbarem Wasser ist die Mikroeislinsenpumpe bei diesen Betonen effektiver und kann den Beton schneller sättigen. Kommt es bei hochfesten Betonen zu einer linear eindringenden Feuchtefront, kann diese die im Innern der Poren befindliche Luft verdrängen. Die positive Wirkung der Schrumpfporen wird somit aufgehoben. Anders sieht das Schadens- und Transportverhalten allerdings aus, wenn die Betone zuvor einer freien Bewitterung ausgesetzt waren. Die meisten Betone erfüllten nach 3 Jahren Auslagerung die Abnahmekriterien bei der anschließenden CDF/CIF-Prüfung. Eine längere Lagerung unter Laborklima stellt offensichtlich keine realistische Situation dar, wie sie Betone in der Praxis erfahren. Durch Nachhydratation, geringere Karbonatisierung sowie Kristallisationseffekte unter freier Bewitterung sind Betone in der Praxis einem anderen Angriff ausgesetzt. Die Ergebnisse der 28 Tage Prüfung stellen bis auf die reinen Flugaschemischungen sowie CEM III Betone aber eine gute Korrelation zu den Ergebnissen der 3 Jahre ausgelagerten und anschließend mittels CDF-Test geprüften Feldbetone dar. Damit lässt sich der Frostwiderstand zuverlässig anhand der 28 Tage CDF/ CIF-Prüfung auch bei niedrigen w/b-Werten überprüfen. Auch lassen sich mit Hilfe der Messmethodik aufgrund deren Genauigkeit reproduzierbar die Veränderungen innerhalb des Gefüges nachvollziehen. Lediglich bei flugaschehaltigen Mischungen und Betonen mit CEM III Zementen, vor allem in Verbindung mit w/b Werten oberhalb von 0,30 sollte überlegt werden, ob diese vor der Frostprüfung zwar eine längere Vorlagerung erfahren sollten, diese aber unter anderen Bedingungen stattfinden müsste. Denkbar wäre z.B. eine längere Wasserlagerung mit anschließender kürzerer Trocknungsphase, so dass trotzdem zum Zeitpunkt der Frostprüfung ein definierter Feuchtegehalt der oberflächennahen Bereiche eingestellt werden kann. Auch die durch Tausalz mögliche alkaliinduzierte puzzolanische Reaktion der Flugasche könnte bei der Bewertung derartiger Betone durchaus eine Rolle spielen, zumal die Betone in der Praxis nur einer Intervallbelastung mit NaCl ausgesetzt sind. Somit kann der Frost-Tausalzwiderstand derartiger Betone unter Umständen mittels Referenzprüfung im Labor zu streng bewertet werden, wie diese Untersuchungen zeigen. Bezüglich der genauen Festlegung besteht weiterer Forschunsgbedarf.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- “Influence of Ageing on the freeze-thaw resistance of high-performance concrete“, Conference on microdurability, TU Delft, 2012
S. Palecki
- “Influence of Ageing on the frost and frost-salt resistance of high-performance concrete“, 18. Ibausil, Bauhaus Uni Weimar, 2012
S. Palecki
- “Einfluss der Alterung auf die innere und äußere Schädigung von Hochleistungsbeton unter Frost- und Frost-Tausalzangriff“, 19. Ibausil, Bauhaus Uni Weimar, 2015
S. Palecki
- Forschungsbericht des Instituts für Materialwissenschaft der Uni Duisburg-Essen „Einfluss der Alterung auf die innere und äußere Schädigung von Hochleistungsbeton unter Frost- und Frost-Tausalzangriff“, Göttingen, Cuvillier Verlag, 2016, 114 S.
S. Palecki
