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Frost-Tausalz-Widerstand von Beton in Brücken und Ingenieurbauwerken an Bundesfernstraßen : Beanspruchung, Beurteilung und Betonqualität

Resistance of concrete to freezing and de-icing salts for bridges and civil engineering structures on federal roads

Tauscher, Franka

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Freie Schlagwörter (Deutsch): Auftaumittel , Bauwerk , Beton , Bewertung , Brücke , Dauerhaftigkeit , Deutschland , Empfindlichkeit , Forschungsbericht , Frost , Frost tau wechsel , Leistungsfähigkeit (allg) , Luftporenbeton , Messung , Prüfverfahren , Sättigungsgrad (mater) , Versuch , Zusammensetzung
Freie Schlagwörter (Englisch): Air entrained concrete , Bridges , Concrete , Deicing , Durability , Efficiency , Evaluation , Freeze thaw durability , Frost , Germany , Measurement , Mix design , Percent saturation , Research reports , Sensitivity , Structures , Test procedures , Tests
Collection: BASt-Beiträge / ITRD Sachgebiete / 32 Zementbeton
Institut: Abteilung Brücken- und Ingenieurbau
DDC-Sachgruppe: Ingenieurwissenschaften
Dokumentart: Report (Bericht)
Schriftenreihe: Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen, Reihe B: Brücken- und Ingenieurbau
Bandnummer: 70
ISBN: 978-3-86509-957-0
Sprache: Deutsch
Erstellungsjahr: 2009
Publikationsdatum: 19.07.2011
Kurzfassung auf Deutsch: Der Frost- und Tausalzwiderstand ist für die Dauerhaftigkeit von Betonbauwerken an Bundesfernstraßen von hoher Bedeutung. Die neuen Normen, zusammengefasst im DIN-Fachbericht 100, unterscheiden zwei Beanspruchungskollektive: Frost- und Tausalzeinwirkung bei hoher Wassersättigung, bezeichnet als Expositionsklasse XF4, und Frost- und Tausalzeinwirkung bei mäßiger Wassersättigung, bezeichnet als Expositionsklasse XF2. Unbekannt war bisher, welche Wassersättigung mäßige von hoher unterscheidet und welche Auswirkungen eine Frost-Tausalz-Beanspruchung im Beton des Bauwerks hat. Auch fehlte ein Prüfverfahren für die Expositionsklasse XF2. Das Prüfverfahren sollte dem Performance Concept gerecht werden, also die Ermittlung der Leistungsfähigkeit des Betons ohne genaue Kenntnis seiner Zusammensetzung ermöglichen. Die in ZTV-ING 3-1 getroffene Zuordnung der Bauteile zu den Expositionsklassen XF2 beziehungsweise XF4 ist durch die Messungen im Bauwerksbeton bestätigt worden. Im Beton der Bauteile mit nicht vorwiegend horizontaler Oberfläche (XF2), wie zum Beispiel Widerlager, Pfeiler und Tunnelwänden, werden im Vergleich zur Wassersättigung unter Atmosphärendruck eindeutig niedrigere Sättigungsgrade beobachtet als im Luftporenbeton der Brückenkappe (XF4), obwohl kein wirksames Luftporensystem eingeführt wurden. Nur in seltenen Fällen und nur in der äußersten Randzone des Bauwerkbetons mit nicht vorwiegend horizontaler Oberfläche (XF2) wird eine Sättigung beobachtet, die der Sättigung unter Atmosphärendruck entspricht oder diese überschreitet. Die Eignung von Beton ohne Luftporen in der Expositionsklasse XF2 für Verkehrsbauwerke wird bestätigt. Betone ohne Luftporen sind unter Beachtung von ZTV-ING 3-1 in XF2 die wirtschaftlichere Lösung. In Tunnelbauwerken können noch über 100 m hinter dem Tunnelportal Frost-Tauwechsel im Beton mit derselben Häufigkeit auftreten, wie im Portalbereich selbst. Die Forderung der Expositionsklasse XF2 nach ZTV-ING 3-1 für Beton im Portalbereichen von Tunneln wie auch in dem Bereich dazwischen erscheint angemessen. Das neue entwickelte Prüfverfahren für Beton in der Expositionsklasse XF2, das modifizierte CDF-Verfahren XF2, ist ein Prüfverfahren nach dem Prinzip der Leistungsfähigkeit. Es erfasst den physikalischen Versagensmechanismus unter Frost-Tausalz-Beanspruchung im Beton und es bildet die reale Beanspruchung von Beton im Bauwerk ab. Die Prüfung wird im Labor durchgeführt, weshalb das modifizierte CDF-Verfahren XF2 als Prüfverfahren nach dem Lab-Performance-Concept bezeichnet wird. Ob und in wie weit der mögliche chemische Schädigungsmechanismus einer Frost-Tausalz-Beanspruchung mit diesem Verfahren erfasst werden kann, ist noch nicht geklärt. Sobald die Reproduzierbarkeit der Versuche durch das neue externe Projekt (15.460/2008/DRB) bestätigt wird und die Abnahmekriterien angemessen festgelegt werden können, erscheint es möglich die Prüfung von Beton für XF2 mit dem modifizierten CDF-Verfahren XF2 in den ZTV-ING 3-1 zur Überprüfung von solchen Betonzusammensetzungen einzuführen, die mit noch nicht in der Praxis bewährten Ausgangstoffen hergestellt werden. Der Nachweis der Grundanforderungen von ZTV-ING 3-1und DIN-Fachbericht 100 an die Betonausgangsstoffe wird jedoch weiterhin erforderlich bleiben. Über das ursprüngliche Ziel hinaus konnte gezeigt werden, dass Frost-Tausalzschäden auch im Beton der Expositionsklasse XF2 auftreten können, wenn die Porosität der Betonzusammensetzung, hier abgebildet durch den w/z-Wert, nicht ZTV-ING 3-1 entspricht. In solchen Fällen bildet sich in der obersten Randzone des Betons ein starker Feuchtegradient aus und nur dort tritt eine Schädigung auf. Auch wurde gezeigt, dass Überschreitungen des kritischen Sättigungsgrades im Bauwerksbeton in der Expositionsklasse XF2 wesentlich seltener auftreten als in der Expositionsklasse XF4, wenn ein vergleichbarer Beton ohne Luftporen betrachtet wird. Man muss davon ausgehen, dass bei mäßiger Wassersättigung XF2 die Austrocknungsphasen ausgeprägter sind als bei hoher Wassersättigung XF4 und dass daher die Schädigungsphase, also der Zeitraum in dem gleichzeitig eine hohe Wassersättigung vorliegt und Frost-Tau-Wechsel auftreten, seltener ist. Dieser Zeitfaktor bewirkt, dass ein Beton, der unter XF4-Beanspruchung nach kurzer Dauer erheblich geschädigt würde unter XF2-Beanspruchung eine erheblich verlängerte Lebensdauer hat.
Kurzfassung auf Englisch: Frost and de-icing-salt resistance is of high importance for the durability of concrete structures on federal highways. The new standards, which are summarised in the technical DIN report 100, discriminate between two stress groups: frost and de-icing-salt effects at high water saturation are described as exposure class XF4, and frost and deicing salt exposure at moderate water saturation are labelled as exposure class XF2. However, it was not defined what constitutes the difference between moderate and high water saturation and what effects frost and de-icing salt stress have on the concrete of building structures. There was also no test method for exposure class XF2. The test method should comply with the performance concept, id est it should make it possible to determine the capability of the concrete without a detailed knowledge of its composition. The allocation of the components to exposure classes XF2 and XF4 in ZTV-ING 3-1 was validated by measurements taken in the concrete of constructions. The concrete components that do not primarily have horizontal surfaces (XF2), such as abutments, pillars and tunnel walls, clearly show lower saturation levels when compared to full saturation under atmospheric pressure than the porous concrete of the bridge cap (XF4), although no effective air pore system had been introduced. Saturation that equals or exceeds saturation under atmospheric pressure is only observed on rare occasions and only in the most outward edge zone of concrete constructions that do not primarily have horizontal surfaces (XF2). The suitability of concrete without air pores for exposure class XF2 of traffic constructions was confirmed. Concrete types without air pores provide a more economic solution when ZTV-ING 3-1 is taken into account. Freeze-thaw cycles in tunnel constructions can be as frequent in the concrete up to 100m behind the tunnel portal as they are directly at the tunnel portal. The requirements of exposure class ZF2 according to ZTV-ING 3-1 for concrete in the portal area of tunnels as well as in the area between them appear to be appropriate. The newly developed test method for concrete of exposure class XF2, the modified CDF method XF2, is a test method according to the performance concept. It registers the physical failure mechanism due to frost and de-icing-salt stress in concrete and models the real stress of the concrete in the construction. The test is performed in a laboratory. The modified CDF method XF2 is therefore also called a test method according to the lab performance concept. It has not yet been established whether and to what extent this method explains the possible chemical damage mechanism of frost and de-icing-salt stress. It seems possible to use the modified CDF method XF2 in ZTV-ING 3-1 for investigating concrete compositions that have not yet been produced by using raw materials tested in practice, once the reproducibility of the tests has been confirmed by the new external project (15.460/2008/DRB) and appropriate acceptance criteria have been stipulated. However, proof that the raw materials for the concrete comply with the basic requirements in ZTV-ING 3-1 and the technical DIN report 100 will still be required. In addition to the original objectives, it could be shown that frost and de-icing-salt damage can also happen in concrete of exposure class XF2 when the porosity of the concrete composition, here represented by the w/z value, does not comply with ZTV-ING 3.1. In such cases, a strong humidity gradient is formed in the topmost edge zone of the concrete and the damage only occurs in this area. It was also shown that the critical saturation level in the concrete of constructions is much less often exceeded in exposure class SF2 than in exposure class XF4 when comparable concrete without air pores is considered. It must be assumed that the drying phases are more pronounced during moderate water saturation in XF2 than during high water saturation in XF4, and that the damage phase, id est the period when high water saturation occurs at the same time as freeze/thaw cycles, is more rare. This time factor ensures that concrete that would show severe damage under XF4 conditions has a much longer life span under XF2 conditions.