Prognose der Schädigungsentwicklung von Betonen bei einem Frost-Tausalz-Angriff
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Bemessung von Stahlbetonbauteilen auf eine ausreichende Dauerhaftigkeit erfolgt derzeit in den meisten Fällen noch nach dem deskriptiven Konzept. Für den Bereich der Korrosion infolge Carbonatisierung bzw. Chlorideintrag existieren mittlerweile vollprobabilistische Bemessungsmodelle. Durch eine direkte Modellierung der Schädigungsprozesse wird so eine Vorhersage der Schädigung sowie auf Grundlage eines bestimmten Sicherheitsniveaus, eine Lebensdauerbemessung möglich. Für den Bereich des Frost-Tausalz-Angriffes besteht hierzu noch Forschungsbedarf. Daher wurde im Forschungsantrag ein Modell vorgestellt, dass eine vollprobabilistische Lebensdauerbemessung von Betonbauteilen unter Frost-Tausalz-Beanspruchung ermöglichen soll. Durch ein derartiges Vorgehen könnten Baustoffe entsprechend ihrer Eigenschaften in ihrer jeweiligen Exposition zielgerichtet eingesetzt werden. Der Schwerpunkt der Modellierung ist hierbei die Übertragung standardisierter Frost-Tau-Wechsel, wie diese zum Beispiel im Rahmen von Lab-Performance-Tests simuliert werden können, auf in der Praxis vorkommende Frost-Tau-Wechsel. In dem Modell wird zwischen einer Initialphase, in der keine Schäden auftreten und einer Schädigungsphase, welche die schadenswirksamen Frost-Tau-Wechsel je Winterperiode berücksichtigt, unterschieden. Auf Empfehlung der gutachterlichen Stellungnahme konzentrierten sich die Untersuchungen auf die Rolle der Initialphase auf die Dauerhaftigkeit von Betonen, die einem kombinierten Frost-Tausalz-Angriff ausgesetzt sind. Frost-Tau-Wechsel führen erst dann zu einem Schaden, wenn ein so genannter kritischer Wassersättigungsgrad erreicht ist und ein Temperaturdurchgang unterhalb der Gefriertemperatur der Porenlösung auftritt. In Abhängigkeit von der Betonzusammensetzung und dem Alter des Betons kann ein Beton daher selbst bei ständigem Feuchteangebot teilweise mehrere Frost-Tau-Wechsel schadensfrei überstehen. Während der Beton bei Laborprüfungen in der Regel einem kontinuierlichen Feuchteangebot ausgesetzt ist, kommt es in der Praxis durch Austrocknungsperioden zwischen den Frost-Tau-Wechseln zu einer deutlichen Verringerung der Wassersättigung zwischen der Frost-Tau-Wechsel-Beanspruchung. In den durchgeführten Untersuchungen wurden daher Betone die ohne Unterbrechung einer Frost-Tau(salz)- Beanspruchung ausgesetzt waren mit solchen verglichen, die zwischenzeitlich für unterschiedlich lange Zeiträume austrockneten. Hierbei war bei Betonen mit geringem Frost-Tausalz-Widerstand bei einer Frost-Tau-Wechsel-Belastung mit einer Minimaltemperatur von -20°C keine Initialphase feststellbar. Bei Betonen mit mäßigem Frost- Tausalz-Widerstand stellte sich infolge von Trocknungsperioden mit einer Dauer von 2 bis 28 Tagen bei Minimaltemperaturen von -20° C eine konstante Initialphase von 2 Frost-Tau-Wechseln ein. Eine Anhebung der Minimaltemperatur führte zu einer geringeren Sättigungsgeschwindigkeit, so dass hier bei den untersuchten Betonen mit mäßigem und geringem Frost-Tausalz-Widerstand in Abhängigkeit von der Dauer der Austrocknung längere Initialphasen festgestellt werden konnten. Betone mit hohem Frost-Tausalz-Widerstand wiesen in den Untersuchungen auch ohne Austrocknungsperioden eine Initialphase von mindestens 28 Frost-Tau-Wechseln auf. Dennoch war auch hier eine Reduzierung der Abwitterungsrate infolge einer Trocknungsperiode feststellbar. So konnte festgestellt werden, dass infolge einer Austrocknungsperiode die Abwitterungsrate einer kontinuierlich beanspruchten Betonserie der gleichen Charge nicht mehr erreicht wird. Die positive Auswirkung der Austrocknung auf die Schädigungsphase wird daher in dem vorgestellten Modell durch einen zusätzlichen Faktor γdry berücksichtigt. Messungen mittels NMR-Relaxation zeigten, dass der Wassergehalt in der Randzone selbst nach der gleichen Dauer an Frost-Tau-Wechseln, die der Beton vor der Trocknungsperiode ausgesetzt war, nicht mehr erreicht wird. Während die Menge an physikalisch gebundenem Wasser infolge einer Trocknungsperiode in der Randzone gleich blieb bzw. zunahm, war der Gehalt an freiem Wasser in der Randzone selbst nach mehreren Frost-Tau-Wechseln infolge einer Trocknungsperiode auf einem niedrigeren Niveau als vor der Austrocknung. Diese Ergebnisse geben bereits einen Hinweis auf die Mechanismen, die den positiven Effekt der Austrocknung bedingen. Zur endgültigen Klärung sind allerdings noch weitere Untersuchungen notwendig. Für eine praxisgerechte Modellierung von Stahlbetonbauteilen unter Frost-Tausalz-Beanspruchung bedeuten die Ergebnisse, dass neben der Analyse der Minimaltemperaturen bei den Frost-Tau-Wechseln einer Winterperiode, eine weitere Aufschlüsselung der Frost-Tau-Wechsel-Tage pro Winterperiode in Tage mit und ohne Niederschlag unbedingt erforderlich ist. Zudem ist eine Berücksichtigung der Anzahl und Dauer der Trocknungsperioden pro Winterperiode notwendig. Um eine Anbindung an die Praxis herzustellen, wurde die Minimaltemperatur eines Frost-Tau-Zyklus auf die Schädigungsentwicklung verschiedener Betone im Labor untersucht. Es zeigte sich, dass bei einer Anhebung der Minimaltemperatur von -20 auf praxisübliche -5° C die Schädigungsentwicklung bei allen untersuchten Betonen nahezu unterdrückt werden konnte. Eine Anhebung der Minimaltemperatur von -20 auf -10°C führte in Abhängigkeit von der Betonzusammensetzung im Mittel zu einer Verringerung der Schädigungsentwicklung im Labor von rund 50 %. Bei den Untersuchungen war der Einfluss des w/z-Werts signifikant, während die Bindemittelart eine untergeordnete Rolle spielte. Eine Berücksichtigung dieser Erkenntnisse in Kombination mit bestehenden Daten aus der Literatur im Rahmen eines Lebensdauerbemessungsmodells könnte somit einen ökologisch und ökonomisch optimalen Einsatz von Baustoffen ermöglichen. Bei den durchgeführten Untersuchungen ermöglichten ergänzende Messungen mittels unilateraler NMR- Relaxation eine Beobachtung der tiefengestaffelten Verteilung des physikalisch gebundenen und freien Wassers während eines Frost-Tausalz-Angriffs und lieferten wichtige Erkenntnisse über die Transportprozesse in der oberflächennahen Betonrandzone.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Prognose der Schädigungsentwicklung von Betonen bei einem Frost-Tausalz-Angriff. Tagungsband des 8. Münchner Baustoffseminars, 2008; ISBN 978-3-00-025450-5
Lowke, D.; Brandes C.
