DE4219034A1 - Verbesserung der Frost-Tausalz-Beständigkeit von Betonkonstruktionen - Google Patents
Verbesserung der Frost-Tausalz-Beständigkeit von BetonkonstruktionenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft die Verbesserung der Frost-Tau
salz-Beständigkeit von Betonkonstruktionen.
Erhärteter Beton und Mörtel enthalten immer ein feines
kapillares Porensystem, das in der Zementpaste durch
die Hydratation entstanden ist und das die Wasserkon
densation im Baukörper fördert. Wasser wird infolge
des Kapillarsystems auch unmittelbar aus feuchter Luft
und nicht nur in verflüssigter Form als Tau und
Niederschlag aufgenommen.
Die Kondensatmenge ist bei einer gegebenen Porenver
teilung von der relativen Luftfeuchte der Umgebung
abhängig.
Die größte Wassereindringtiefe liegt bei allen vor
schriftsmäßig hergestellten Betonen mit einem Wasser/
Zementwert (W/Z) von maximal 0,6 in der Regel unter
3 cm.
Neben den Gelporen von 1,5-3 nm, deren Wasser als
"festes Wasser" erst bei hohen Temperaturen ausgetrie
ben werden kann, und den Kapillarporen von 1 µm
(Messungen nach Brownyard, T.L., Proc. ACI 43, 1947,
101-132) treten, abhängig von der Mischungszusammen
setzung und der Herstellqualität, größere Poren und
Risse im Oberflächenbereich auf.
Das in den oberflächlichen Schichten eingedrungene flüs
sige Wasser geht beim Gefrieren in das leichtere Eis
mit einer Dichte von 0,88-0,92/ml über und dehnt sich da
bei um rund 11% aus. Obwohl ein Teil des Wassers, z. B.
das in den engeren Kapillaren, infolge der Dampfdruck
erniedrigung, bei z. B. -10°C, noch flüssig sein kann,
gefriert das Wasser in den sog. Wassersäcken, den in
neren Wasserpfützen, Wasserporen und Ritzen und übt
einen starken Druck auf den Betonkörper aus. Die Expan
sion durch den Eisdruck überwiegt die Kontraktion durch
die Abkühlung. Die Längenänderung kann bei -20°C, wenn
auch das Wasser in den engeren Kapillaren zu Eis gewor
den ist, 1-2 mm/m betragen. Ein nur einmal gefrorener
Beton mit dieser ersten Schädigung kehrt aber beim
Auftauen infolge der entstandenen inneren Auflocke
rung, besonders im Oberflächenbereich nicht mehr in
die Ausgangslage zurück.
Im Jahre 1940 wurde in den USA zufällig die Frostschutz
wirkung von Luftporen (LP) auf Beton entdeckt. Zunächst
wurde das gelegentliche gute Frostverhalten von Betonen
einigen bestimmten Zementtypen zugeschrieben. Die dem
Anschein nach "von Natur aus" frostbeständigen Zemente
waren durch eine geringe Menge an Schmieröl verunrei
nigt, das als Luftporen-Mittel (LP-Mittel) gewirkt
hatte. (Dyckerhoff, H., ZKG 1, 1948, 93-95).
Sind in einem Beton 16% LP vorhanden, so stellt man
bei der Längenmessung während des Frost-Auftau-Wech
sels keine Expansion, sondern eine Schrumpfung bei
-20°C von einigen Zehntel mm/m fest, während beim Auf
tauen derselbe Zustand erreicht wird, d. h. es tritt
keine Änderung gegenüber dem Ausgangszustand ein. Mit
8-10% LP verändert der Zementstein seine Länge
zwischen +20°C und -20°C nicht (nach T.C. Powers).
Die Wirkung der Luftporen in der erhärteten Zement
paste beruht darauf, daß sie sich beim Durchnässen des
Betons nicht mit Wasser füllen, beim expandierenden
Frieren des Kapillar- und Ritzwassers als Volumen
reserve zur Verfügung stehen und den hydraulischen
bzw. Eisdruck verhindern. Eis und Wasser können in die
Luftporen entweichen. Die Größe der als Frostschutz
wirksamen LP liegt zwischen 0,1-2 mm. Nach anderen
Autorenangaben darf der Durchmesser der LP 0,3 mm
nicht übersteigen. Der Gehalt sollte zwischen 4-5%
liegen und der Abstand der Luftporen höchstens 0,25 mm
betragen, damit bei spontaner Eisbildung genügend
Ausweichraum zur Verfügung steht und schnell erreich
bar ist.
Den positiven Einfluß der Luftporen auf das Frost-
Tau-Verhalten steht ein negativer Einfluß auf die
Festigkeit gegenüber. Nach K. Walz (DAfStb. H. 123,
1956) verringert sich die Biegefestigkeit je % ein
gebrachter Luft um 2-3% und die Druckfestigkeit um
3-4%. Geht man von den jeweiligen Höchstwerten aus,
was zur Vorsicht angebracht ist, resultieren aus dem
nötigen LP-Gehalt von 5% eine um 15% verminderte
Biegefestigkeit und eine um 20% geringere Druckfestig
keit.
Ein weiterer Nachteil der LP-Technik ist die relativ
große Variable der Anwendungsmenge. Empfohlen werden
0,5-2 g/kg Zement. Die Schwierigkeit einer richtigen
Dosierung des LP-Mittels besteht darin, daß der Bedarf
an LP-Mitteln mit der Feinheit des Zements, z. B. von
3000 auf 5000 cm2/g spezif. Oberfläche, auf etwa das
Doppelte wächst. Wasserlösliche Alkalien des Zements
fördern die LP-Bildung, und die in allen technischen
Zementen anwesenden organischen Substanzen (0,015%)
können den Bedarf erhöhen oder vermindern.
Die durch Vorversuche festgelegte Menge des LP-Mittels
muß exakt am Mischer zugegeben werden, was bei einer
Dosierung zwischen 0,5-2 g/1000 g Zement eine Sorgfalt
erfordert, die unter Baustellenbedingungen nicht ge
währleistet ist. Bei Mengenzugaben zwischen 0,05-0,2%
können sich kleine Differenzen, bezogen auf die
absoluten Mengen, sich sehr stark auf die Betonqua
lität auswirken.
Die Ausbildung einer optimalen LP-Struktur ist zusätz
lich noch von der Menge und Qualität der Zuschläge ab
hängig. Die Kornverteilung innerhalb der Zuschläge und
besonders der Feinkornanteil haben hier den stärksten
Einfluß auf die Größe und Verteilung der Luftporen im
Beton.
Es ist unübersehbar, daß die Frostschäden an Fahrbahn
decken und Rollfeldern der Flughäfen ständig zunehmen,
obwohl diese Betone mit Hilfe von LP-Mitteln gefertigt
wurden. Die wichtigsten Ursachen sind folgende:
Wie oben bereits geschildert, muß damit gerechnet wer
den, daß bei der Betonfertigung die LP-Anordnung und
LP-Größenverteilung nicht optimal gelungen sind. In
der Praxis geht es kaum noch um die Frost-Tau-Wechsel
wirkung-Beständigkeit, sondern fast ausschließlich um
die Einwirkung von Tausalz während des Frost-Tau-
Wechsels, kurz um die Frost-Tausalz-Beständigkeit.
Im Winter 1978/79 wurden auf den Autobahnen in der
Bundesrepublik rund 3 kg Salz/m2 gestreut. Der Angriff
auf die Betonabdeckung und bald danach auf die Stahl
bewehrung erfolgt zusätzlich durch Salzlösungen von
hoher Konzentration bis zu ihrer Sättigung.
Wird eine vereiste Fahrbahn durch Salzstreuen aufge
taut, entsteht anfangs eine sog. Kältemischung aus Salz
+ Eis, wodurch die Temperatur in der Oberflächen
schicht schlagartig abfällt. In der Praxis wird dies
als Kälteschock bezeichnet.
Die Salzkonzentration des Schmelzwassers steigt am Ta
ge, besonders bei Sonneneinstrahlung, durch Verdampfung
von Wasser. Nach Sonnenuntergang fällt die Temperatur
ab, die Löslichkeit für Salz sinkt und nimmt weiter
ab, wenn ein Teil des Wassers in den Eiszustand übergeht,
was wiederum die Salzkonzentration erhöht. Die Salz
kristallisation verringert das verfügbare Porenvolumen
für die Eisausdehnung, was den Druck im Betonoberflä
chensystem erhöht. Hydratbildung der Tausalze sorgt
für eine weitere Erhöhung des Innendrucks, zumal die
Oberflächenschicht mit Eis bedeckt ist und den Aus
tritt von Wasser und Salz behindert. Schon bei Tempe
raturen um Null Grad (genau bei +0,15°C) liegen NaCl
und NaCl·2H2O im Gleichgewicht in gleicher Menge vor.
Es ist versucht worden, einen derart geschädigten
Beton zum Schutz seiner Oberfläche und der Stahlbeweh
rung mit Silanen, Siloxanen oder Polysiloxanen zu
hydrophobieren, was aber nicht befriedigte, weil die
chemische Beständigkeit von Hydrophobierungen ungenü
gend ist.
Vor allem die Reaktionen der zementgebundenen und kalk
gebundenen Baustoffe sind dabei von Bedeutung. Diese
Stoffe bilden auch noch nach Jahren neue Reaktionspro
dukte, wobei die Reaktionen bevorzugt an der inneren
Oberfläche ablaufen. Dabei werden neue Oberflächen,
die nicht hydrophob sind, gebildet, und es werden an
der Poreninnenwand haftende Tenside in die neuen Reak
tionsprodukte eingebaut und somit unwirksam.
Der zweite Aspekt ist die Reaktivität der Baustoffe
gegenüber Stoffen aus der Umgebung. Durch die Carbona
tisierung alkalischer Baustoffe ändern sich der
pH-Wert der Porenlösung und die Zusammensetzung der
inneren Oberflächen, was zu einer Desorption des
Hydrophobierungsmittels führen kann.
Ein weiteres Problem der Hydrophobierung ist die Tat
sache, daß hydrophobierte Baustoffe nicht erneut be
handelt werden können, da das Hydrophobierungsmittel
(i.a.) nicht mehr in schon behandelte Poren eindringen
kann. Zweitanstriche bei Imprägnierungen sind daher
nicht empfehlenswert. Ebenso sind Sanierungen an
früher hydrophobierten Baukörpern sehr problematisch.
Die Hydrophobierung von Beton mit Stahlbewehrung ist
in der Regel für den Korrosionsschutz des eingebauten
Stahls nachteilig. Die Carbonatisierung verringert die
Betonalkalität und damit die Inhibierung der Stahlober
fläche. Da die Poreneingänge nicht durch flüssiges
Wasser verstopft sind, können Kohlendioxid, Luftsauer
stoff und Wasserdampf im geschädigten Beton ungehin
dert bis zum Eisen vordringen. Es genügt eine geringe
anhaftende Feuchtigkeit auf der Bewehrung zur Einlei
tung und Fortsetzung der Stahlkorrosion.
Es bestand also die Notwendigkeit, neuen Betonbauten
eine ausreichende Frost-Tausalz-Beständigkeit zu geben
und alte Bauten durch Maßnahmen ebenfalls beständig
gegen Frost und Tausalze zu machen und zusätzlich die
Bewehrung gegen Korrosion zu schützen.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch Verwen
dung einer wäßrigen, durch niedere Alkohole und
Carbonationen modifizierten Alkalisilikatlösung
gelöst. 10 kg dieser Lösung haben etwa die folgende
Zusammensetzung:
Kieselsäure berechnet als SiO₂|30-32 Mol | |
Alkalimetallionen berechnet als Na+1 | 23-24,3 Mol |
C₁-C₃-Alkohol berechnet als Ethanol | 2-2,1 Mol |
Carbonat berechnet als CO₃-2 | 1,6-2,1 Mol |
Wasser mindestens | 400 Mol |
Die Alkalimetallionen liegen vorzugsweise als Natrium- oder
Kaliumionen vor. Die Viskosität der Lösung be
trägt etwa 10-12 mPa·sec. Als Alkohol wird Ethanol
bevorzugt.
Die Anwendung der Lösung ist einfach und wenig arbeits
aufwendig. Die zu schützende Betonoberfläche muß nur
durch Fegen von Fremdkörpern, losem Schmutz und Beton
abrieb befreit werden. Scharfes Bürsten sowie Sand
strahlen ist nicht erforderlich. Auch braucht die Beton
fläche nicht trocken zu sein. Lediglich Wasserpfützen,
stehendes oder fließendes Wasser sollten beseitigt bzw.
abgeleitet werden.
Es sind drei Anstriche mit steigender Konzentration vor
teilhaft, die mit üblichen Mitteln der Anstrichtechnik
aufgebracht werden. Die Originallösung wird für den
ersten Anstrich mit Wasser im Verhältnis 1 Vol.-Teil
Lösung : 3 Vol.-Teilen Wasser verdünnt. D.h. in diesem
Fall kommen auf die angegebenen Molmengen Kieselsäure,
Alkaliionen, Alkohol und Carbonat etwa 1200 Mol Wasser.
Für den zweiten Anstrich wird weniger verdünnt: 1 Vol.-
Teil Lösung : 2 Vol.-Teilen Wasser und die Verdünnung
für den dritten Anstrich beträgt 1 : 1.
Die Wartezeiten zwischen den Anstrichen sind von der
Witterung abhängig und betragen in der Regel nur einige
Stunden. Eine Anwendung ohne Wasserverdünnung ist auch
möglich, besonders wenn es sich um eine stark geschädig
te Betonoberfläche handelt.
Die Aufwandmengen sind vom Zustand des Betons abhängig.
Sie liegen über 100 g/m2 Betonfläche und betragen vor
zugsweise zwischen 100 und 300 g/m2 Betonfläche und
ausnahmsweise auch noch mehr.
Betonkonstruktionen, die erfindungsgemäß behandelt
werden können, sind vorwiegend Betonbauwerke mit Eisen- oder
Stahlbewehrung wie Fahrbahnen, Autobahnen, Brücken
und deren Kappen, Parkhäuser, Start- und Landebahnen der
Flughäfen sowie allgemein tausalzbelastete Betonbauteile.
Die Wirksamkeit der Anwendung der modifizierten Alkali
silikatlösung wurde an Betonprobekörpern geprüft. Nach
drei Anstrichen mit steigender Konzentration, wie oben
beschrieben, wurden sie zusammen mit unbehandelten Ver
gleichsmustern nach der ÖNORM 3306 getestet.
Um zwei verschiedene Zerstörungsgrade der Betonoberflä
chen zu simulieren, wurden die Betonprobekörper der
Abmessungen 20×20×7 cm, der Festigkeitsklasse B 45 nach
der Norm DIN 1045 und einer Sieblinie A/B 8 des Zu
schlags mit einem Größtkorn von 8 mm im Bereich zwischen
den beiden Grenzsieblinien A 8 und B 8 sandgestrahlt
bzw. mittels Drahtbürste die Prüffläche vor der Behand
lung mit der Lösung vorbereitet.
Die Behandlung erfolgte mit einer Lösung der Zusammen
setzung:
Kieselsäure berechnet als SiO₂|31 Mol | |
Na+1-Ionen | 23,6 Mol |
Ethanol | 2,1 Mol |
Carbonat berechnet als CO₃-2 | 1,9 Mol |
Wasser | 420 Mol |
Die sandgestrahlte Oberfläche (Variante A) verbrauchte
223,8 g Originallösung/m2 Betonfläche,
die gebürstete Fläche (Variante B) verbrauchte 163,8 g
Originallösung/m2 Betonfläche.
Nach Ablauf von 50 Zyklen fand bei den beschichteten
Flächen keine Veränderung statt, d. h., es traten keine
Frostschäden, keine Abwitterungen und entsprechend auch
kein Gewichtsverlust auf. Die nach der ÖNORM 3306 gefor
derten Bedingungen (max. 50 g Gewichtsverlust) wurden
von allen mit der Lösung imprägnierten Betonprüfkörper
erfüllt. Die unbeschichteten Vergleichsproben wurden
nach 40 Zyklen aus dem Test genommen, weil schon große
Schäden sichtbar wurden. Die Abwitterungen wurden wie
folgt gemessen:
Variante A, unbehandelt: 511,25 g Verlust/m2 Betonfläche
Variante B, unbehandelt: 734,25 g Verlust/m2 Betonfläche.
Variante A, unbehandelt: 511,25 g Verlust/m2 Betonfläche
Variante B, unbehandelt: 734,25 g Verlust/m2 Betonfläche.
Claims (6)
1. Verwendung der Lösung eines modifizierten Alkali
silikats der Zusammensetzung:
Kieselsäure berechnet als SiO₂|30-32 Mol
Alkalimetallionen berechnet als Na+1 23-24,3 Mol
C₁-C₃-Alkohol berechnet als Ethanol 2-2,1 Mol
Carbonat berechnet als CO₃-2 1,6-2,1 Mol
Wasser mindestens 400 Mol
zur Verbesserung der Frost-Tausalz-Beständigkeit
von Betonkonstruktionen.
2. Verfahren zur Verbesserung der Frost-Tausalz-
Beständigkeit bei Betonkonstruktionen, dadurch ge
kennzeichnet, daß man die modifizierte Alkalisili
katlösung nach Anspruch 1 in Mengen über 100 g/m2
Betonfläche aufträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Aufwandmenge 100-300 g/m2 Betonfläche
beträgt.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Oberflächenbehandlung bei neuen
Bauwerken und Bauteilen frühestens 28 Tage nach
der Fertigstellung des Betons vorgenommen wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Betons ledig
lich durch Fegen von Fremdstoffen und losem Beton
material befreit wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß mehrere Anstriche mit steigen
der Konzentration aufgebracht werden.
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