MPVA-Spektrum Beton

MPVA-Spektrum Beton
Schäden an Bauteilen aus Beton (Teil 5)
Schäden an Betonbauteilen durch eine
Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR)
An stark durchfeuchteten Bauteilen aus Beton,
insbesondere wenn weitere Belastungen wie
der Eintrag von Alkalien von außen oder starke
dynamische Beanspruchungen vorliegen, kann
es zu einer schädigenden Alkali-KieselsäureReaktion (AKR) im Beton kommen. Diese kann
letztendlich zu einer völligen Zerstörung des
Betonbauteils führen. National wie international
sind viele AKR-Schäden, insbesondere an
Fahrbahndecken und Flugplatzbelägen sowie
an Küstenbauwerken und Brücken dokumentiert. Diese Schäden zeichnen sich üblicherweise aus durch:
• die Entstehung eines maschenartigen Rissbildes und
• die Bildung von Sekundärmineralien
und Gel in den Rissen.
AKR-Schäden
• sachgerechte Erhebungen zum Bauwerk und den verwendeten Ausgangsstoffen;
• eine genaue Aufnahme des Schadensbildes und
• die Durchführung von Untersuchungen an Ausbauproben
lässt sich die Schadensursache häufig trotzdem ermitteln. Besondere Bedeutung kommt
hierbei der mikroskopischen und petrografischen Untersuchung der Proben zu.
Rissbildung aufgrund einer AKR
In vielen Fällen sind die Sekundärmineralien
oder das Gel in den Rissen zum Zeitpunkt der
Probenahme z. B. aufgrund der Auswaschung
durch Regenwasser nicht mehr nachweisbar.
Voraussetzung für eine betonschädigende
Alkali-Kieselsäure-Reaktion sind:
• ein ausreichendes Alkalipotenzial;
• alkaliempfindliche
gen;
Eine Abgrenzung zu anderen rissbildenden
Schadensmechanismen ist nicht immer einfach. Zur Festlegung eines sachgerechten
Sanierungsvorschlags ist die genaue Kenntnis
der Schadensursache jedoch zwingend notwendig. Durch
Gesteinskörnun-
• eine ausreichende Feuchtezufuhr.
So lassen sich charakteristische Merkmale für
bestimmte Betonschäden wie auch der AKR
durch licht- und rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen erkennen. Weitere
Hinweise auf die AKR als mögliche Schadensursache können durch
• Alkaligehaltsbestimmungen;
• Untersuchungen mit Uranylacetat;
• Nebelkammerversuche bzw.
• Schnelltests an Ausbauproben
gewonnen werden.
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Ausgabe 2010
MPVA Neuwied GmbH, Sandkauler Weg 1 in 56564 Neuwied
Tel.: 02631 / 39 93-0 • Fax: 02631 / 39 93-40 • e-Mail: [email protected] • Internet: www.mpva.de
Schäden an Bauteilen aus Beton (Teil 5)
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Nebelkammerlagerung
Betone mit einem ausreichenden Widerstand
gegen Frost- bzw. Frost-Taumittel-Angriffe
können nach DIN 1045-2 bis zur Expositionsklasse XF3 ohne Einsatz eines Luftporenbildners hergestellt werden. In diesem Falle
muss der Beton im allgemeinen einen
w/z-Wert von < 0,50 und eine Festigkeitsklasse von > C35/45 aufweisen.
Bei Betonen der Expositionsklasse XF4 muss
nach den Normvorgaben im Gegensatz dazu
ein Luftporenbildner eingesetzt werden. Hierbei sind die Luftporengehalte im Frischbeton
nach DIN EN 12 350-7 nachzuweisen.
Da beim Pumpen des Betons die Gefahr der
Reduzierung der für die Frost-Taumittelbeständigkeit relevanten Luftporen besteht,
sollte die Prüfung des Luftgehaltes i. d. R.
nach dem Pumpen erfolgen.
Betonabplatzungen aufgrund eines nicht
ausreichenden Frost- und Frost-Taumittelwiderstandes des Betons
Immer wieder sind Abplatzungen an Betonbauteilen, die dem Frost ausgesetzt sind, die
Ursache für Beanstandungen. Die Sachverständigen haben im Schadensfall bei diesen
Schäden üblicherweise u. a. die Frage zu beantworten, ob es sich bei dem eingebrachten
Beton um einen Beton mit einem ausreichenden Widerstand gegen Frost- bzw. FrostTaumittel-Angriffe handelt.
Frostschäden
Sind keine Ergebnisse entsprechender Prüfungen am Frischbeton verfügbar, so kann eine
nachträgliche Beurteilung des Frost-Taumittelwiderstandes des Betons nur anhand von Proben erfolgen, die aus dem Bauteil entnommen
werden. An diesen Proben können im Labor
die sog. Luftporenkennwerte (Gesamtluftgehalt
und Abstandsfaktor) mikroskopisch ermittelt
werden. Auf Grundlage dieser Ergebnisse
kann der Widerstand des Betons gegenüber
Frost-Taumittel-Angriffen nachgewiesen werden.
Betonabplatzungen wegen nicht ausreichender Gefrierbeständigkeit des Betons
Neben den oben erwähnten Schäden aufgrund
eines nicht ausreichenden Widerstandes gegen Frost- bzw. Frost-Taumittel treten während
der Bauphase in der kalten Jahreszeit häufig
Betonabplatzungen auf, welche auf die einmalige Einwirkung von Frost auf den noch nicht
ausreichend erhärteten Beton zurückzuführen
sind.
Diese Schäden werden vielfach ebenfalls als
Frostschäden bezeichnet, wobei dieser Schaden aufgrund der andersartigen Schadensentstehung vielmehr als Gefrierschaden bezeichnet werden sollte. Diese Schäden können auch
bei Betonen mit erhöhtem Widerstand gegen
Frost-Taumittel-Angriffe auftreten.
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Gefrierschäden sind ursächlich darauf zurückzuführen, dass der Beton zum Zeitpunkt der
ersten Frostbeanspruchung noch keine ausrei2
chende Druckfestigkeit (> 5 N/mm ) besitzt.
Ein Gefrierschaden zeichnet sich durch
geringe Betondruckfestigkeiten und starke
Gefügestörungen im oberflächennahen Beton
aus. Häufig sind unter dem Mikroskop oder
sogar augenscheinlich Eisnadelabdrücke im
Betongefüge erkennbar.
Derartige Gefrierschäden können dadurch vermieden werden, dass Bauteile, die kurz vor
einem Frosteinbruch betoniert werden, vor
dem oberflächlichen Gefrieren geschützt werden (Winterbaumaßnahmen). Alternativ können, nach Rücksprache mit dem Planer,
höherwertige bzw. schneller abbindende
Betone eingesetzt werden.
In den tiefer liegenden Bereichen der Bauteile
weist der Beton normalerweise keine signifikanten Qualitätsbeeinträchtigungen auf, so
dass die üblicherweise betroffenen Bauteile
aus Beton (häufig handelt es sich um Bodenoder Deckenplatten) im Normalfall nicht vollständig rückgebaut werden müssen. Vielmehr
sind üblicherweise nur die geschädigten
Betonrandzonen zu entfernen und im Rahmen
einer sachgerechten Sanierung mit geeigneten
Ersatzsystemen wieder neu aufzubauen.
Bei der Auswahl des Zementes thermisch beanspruchter Betonbauteile ist zu bedenken,
dass Portlandzement bei einer Temperatur von
ca. 600°C einen Festigkeitsverlust von annähernd 50% aufweisen können. Bei derartigen
Bauteilen empfiehlt es sich über die Verwendung eines Tonerdeschmelzzementes nachzudenken.
Im Rahmen von Schadensfällen an Betonen,
die im Zugangsbereich zu keramischen Brennöfen verwendet wurden, traten häufiger Betonabplatzungen auf, die auf Volumenausdehnungen der enthaltenen Gesteinskörnungen
zurück zu führen waren. Das nachfolgende
Bild zeigt einen Beton, der bei einer Temperatur von 350°C gelagert worden ist und bei
dem sich Risse und in der Folge Betonabplatzungen gezeigt haben, die ursächlich in der
Verwendung schieferhaltiger Gesteinskörnungen begründet waren.
Thermisch bedingte Risse in der
Gesteinskörnung
Betonabplatzungen aufgrund einer nicht
ausreichenden Temperaturbeständigkeit
Neben den Frostschäden können Betonabplatzungen auch aufgrund einer nicht geplanten
thermischen Beanspruchung entstehen.
Die DIN 1045 deckt ausschließlich Temperaturen bis 250°C ab. Für Betone, die Temperaturen über 250°C ausgesetzt werden, müssen
ausreichende Erfahrungen vorliegen. Hierbei
ist zu bedenken, dass bei deutlich erhöhten
Temperaturen
• zum einen ein Festigkeitsverlust des
Zementsteins und
• zum anderen ggf. Schäden an den im
Beton enthaltenen Gesteinskörnungen
Die Ursache dieser Betonabplatzungen sind
darauf zurück zu führen, dass die Gesteinskörnung deutlich erhöhte organische Anteile enthält. Bei der thermischen Beanspruchung dieser Gesteinskörnungen werden diese organischen Anteile verflüchtigt und führen zu inneren Spannungen, die in der Folge zu Abplatzungen am Beton führen.
Aus diesem Grunde sind spezielle Erstprüfungen an Betonen, die z. B. im Zugangsbereich
zu keramischen Brennöfen verwendet werden,
durchzuführen.
auftreten können.
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Betonabplatzungen durch Holzeinschlüsse
Bei horizontalen Betonplatten wie z. B. bei
Industrieböden finden sich immer wieder
Abplatzungen oberhalb von Holzeinschlüssen.
Holzeinschlüsse
Darüber hinaus verstärkt das Befahren von
Industrieböden das Ausmaß der optischen Beeinträchtigung, da die entstehenden hohen
Punktlasten in den Bereichen mit Holzeinschlüssen nicht sachgerecht aufgenommen
werden können und zur Bildung von Ausbrüchen führen.
Bezüglich der leichtgewichtigen Bestandteile
ist Ingenieurbüros, die horizontale Betonplatten
z. B. in Baumärkten, Lagerhallen oder bei
Sichtbetonbauteilen planen, zu empfehlen,
dass diese die Baustofflieferanten im Rahmen
der Bestellung speziell darauf hinweisen, dass
bei diesen Flächen erhöhte Anforderungen an
die Betonoberfläche gestellt werden.
Baumarktfläche
Ist Holz in den Ausgangsstoffen (i. d. R. in den
Gesteinskörnungen) enthalten, so schwimmt
dieses beim Einbringen und Verdichten des
Betons auf und reichert sich - nur bedeckt von
einer dünnen Zementsteinschicht - knapp
unterhalb der Oberfläche des Industriebodens
an. Nach DIN EN 12620 handelt es sich bei
diesen holzartigen Stoffen um sog. leichtgewichtige organische Bestandteile.
Sowohl nach DIN V 20000-103 als auch nach
der neuen DIN 1045-2 ist die Menge dieser
Bestandteile normativ bei
• feinen Gesteinskörnungen auf
< 0,5 M.-%;
• groben Gesteinskörnungen auf
< 0,1 M.-%
begrenzt. Erhöhte Anforderungen finden sich
z. B. in der ZTV-Ing., in der diese Bestandteile
bei
• feinen Gesteinskörnungen auf
< 0,25 M.-%;
• groben Gesteinskörnungen auf
< 0,05 M.-%
begrenzt werden. Auch bei diesen Mengen
handelt es sich jedoch um so hohe Gehalte,
dass zum Teil erhebliche Mengen an Holz im
Bereich der Bauteiloberflächen auftreten können. Bei Einwirkung von Wasser quillt das Holz
und sprengt die aufsitzende Zementsteinschicht ab.
Selbstverständlich wird im Streitfall immer
wieder darüber diskutiert, wer ggf. aufgetretene Abplatzungen zu beseitigen bzw. zu
bezahlen hat. Selbst wenn der Planer im
Rahmen der Ausschreibung darauf hingewiesen hat, dass der Lieferant „eine Gesteinskörnung völlig frei von leichtgewichtigen Bestandteilen“ einzusetzen hat, variiert die Gutachtermeinung zur Verantwortung für den Schaden
stark.
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Einige Sachverständige sind der Ansicht, dass
der Bauherr derartige Schäden akzeptieren
muss, da sich eine vollständige Freiheit von
leichtgewichtigen Bestandteilen auch bei
größter Sorgfalt nicht sicherstellen lässt.
Andere meinen, dass anstelle der normalen
Gesteinskörnungen in diesen Fällen gebrochene Gesteinskörnungen eingesetzt werden
müssen. Wieder andere vertreten die Meinung,
dass in diesen Fällen der Gesteinskörnungsproduzent die Verantwortung für den Schaden
hat, da er den Lieferbedingungen (vollständige
Freiheit von leichtgewichtigen Bestandteilen)
zugestimmt hat. In jedem Falle handelt es sich
hierbei um ein großes Beschäftigungfeld für
Sachverständige und Juristen.
Hohlstellen bei Industrieböden inkl. Betonflächen mit Einstreuungen
Grundsätzlich ist festzustellen, dass ein Industrieboden nicht grundsätzlich frei von Hohlstellen sein muss.
Einzelne kleinere Hohlstellen können auch bei
sachgerechter Arbeitsweise auftreten und
stellen nicht automatisch einen Mangel dar.
Andererseits können die hohen Punktlasten
bei Industrieböden auch bei kleinen Hohlstellen schnell zur Überlastung der Konstruktion im Bereich der Hohlstellen führen.
Hohlstellen
Hohlstellen, die zu Rissschäden geführt
haben
Häufig sind Hohlstellen zwischen Hartstoffschichten (Einstreuung oder Estrich) und dem
Beton darauf zurückzuführen, dass der richtige
Zeitpunkt der Aufbringung der Hartstoffschicht
verpasst worden ist und der Untergrundbeton
zu diesem Zeitpunkt bereits zu stark angezogen war.
Nicht selten wird bei der Einbringung von
Industrieböden unterschätzt, wie stark das
Abbindeverhalten zementgebundener Baustoffe von den Umgebungsbedingungen beeinflusst wird. So kann der Betrieb von Klimabzw. Lüftungsanlagen zum Zeitpunkt der Einbringung des Industriebodens das Zeitfenster
bis zur Aufbringung der Hartstoffschicht erheblich verkürzen.
Ähnliche Probleme ergeben sich bei Hallenböden, die sehr frühzeitig intensiver Zugluft
ausgesetzt werden. Offen stehende Hallentore
stellen hierbei einen Klassiker dar. Hohlstellen
und Risse sind die Folge. Aus diesem Grunde
wird in der einschlägigen Fachliteratur darauf
hingewiesen, dass bei „ungünstigen Baustellenbedingungen (z. B. Zugluft, nicht geschlossene Fenster und Türen oder intensive Sonneneinstrahlung“) mit „kleineren Haftzugwerten“ als üblich zu rechnen ist.
Hohlstellen bei Industrieböden aufgrund
der Verwendung von PCE bei der Betonherstellung
In den letzten Jahren haben Polycarboxylatether (kurz PCE) bzw. Kombinationsmittel aus
PCE und Ligninsulfonaten aufgrund ihrer stark
verflüssigenden Wirkung und langen Wirkungsdauer sich als wesentlicher Bestandteil
im Fließmittelmarkt fest etabliert.
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Durch die Verwendung der PCE lässt sich das
Ausbreitmaß von Betonen deutlich erhöhen,
ohne dass die Entmischungsneigung signifikant steigt und ohne dass die Druckfestigkeit
des Betons reduziert wird.
In direktem Anschluss an die Hohllagen finden
sich üblicherweise Ausbrüche und Risse.
Ausbrüche neben den Hohlstellen
Gerade in den letzten Jahren traten aber Schadensfälle bei Industrieböden auf, bei denen der
Beton unter Verwendung von PCE hergestellt
worden ist. Diese Schäden äußerten sich in
Form von Hohllagen und Rissbildungen im
Industrieestrich bzw. in Hartstoffeinstreuungen.
Typisch für diese Schäden ist die Ausbildung
von Rissen in der Kontaktzone zwischen Beton
und Industrieestrich bzw. Hartstoffeinstreuung
(Hohlstellen). Die Risse verlaufen in erster
Linie parallel zur Oberfläche des Industriebodens und setzen sich nicht in den Beton fort.
Hohlstellen aufgrund der Verwendung von
PCE im Rahmen der Betonherstellung
Werden die Hohlstellen überbohrt, so zeigt
sich hier, dass die Abrissfläche zwischen dem
Beton und der Industriebodenoberfläche i. d.
R. glatt ist. Raue Bruchkanten liegen kaum vor.
Somit ist davon auszugehen, dass der Estrich
bereits kurz nach der Herstellung zumindest
kleinflächig parallel zur Oberfläche verlaufende
Risse aufwies. Der Haftverbund zwischen dem
Beton und der Industriebodenoberfläche war
von vornherein sehr schlecht.
Detailaufnahme der Abrissebene
Auch finden sich häufig Aussinterungen in der
Abrissfläche, was darauf hindeutet, dass der
Estrich in dieser Ebene über einen längeren
Zeitraum mit Wasser in Kontakt stand.
Hohlstellen aufgrund der Verwendung von
PCE im Rahmen der Betonherstellung
Abrissfläche im Bereich einer Hohlstelle
mit Aussinterungen
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Im Rahmen der mikroskopischen Untersuchung von Proben aus derartigen Schadensfällen zeigte sich, dass sich aufgrund der Verwendung der PCE teilweise hohe Luftporengehalte im Beton ausbilden, die sich aufgrund
des Glättens noch an der Betonoberfläche anreichern.
Die Applikation von Hartstoffeinstreuungen
oder auch Hartstoffestrichen auf luftporenhaltigen Betonen ist als ausgesprochen kritisch
einzustufen und führt aufgrund der Schwächung der Verbundzone sehr häufig zu Schäden in Form von Verbundproblemen zwischen
dem Beton und dem Estrich.
Stereomikroskopie einer Probe
aus einem geschädigten Bereich
mit erhöhten Porengehalten
Haftzugfestigkeiten von Industrieböden
inkl. Betonflächen mit Einstreuungen
Entgegen der weit verbreiteten Annahme
müssen flächenfertige Industrieböden nicht die
in der Rili-SIB genannte mittlere Haftzugfestig2
2
keit von > 1,5 N/mm (Kleinstwert >1,0 N/mm )
aufweisen. Normativ bestehen keinerlei Anforderungen an die Haftzugfestigkeit von Verbundestrichkonstruktionen
oder
Einstreuschichten.
Polarisationsmikroskopie einer Probe
aus einem geschädigten Bereich
mit erhöhten Porengehalten
Trotzdem muss natürlich ein für den Verwendungszweck ausreichender Verbund zwischen
den einzelnen Schichten einer Verbundestrichkonstruktion oder auch einer Einstreuung vorliegen. Die Erfahrung zeigt, dass Verbundestriche ohne Fahrbeanspruchung mindestens
2
eine mittlere Haftzugfestigkeit von > 0,5 N/mm
aufweisen sollten. Flächen mit Fahrbeanspruchung sollten eine mittlere Haftzugfestigkeit
2
von > 0,8 N/mm besitzen.
Gipsputzablösungen
Betonen
auf
hochwertigen
Das Haftvermögen von Gipsputzen auf Putzuntergründen wird in erster Linie durch die
mechanische Verkrallung der Reaktionsprodukte des Bindemittels mit dem Putzuntergrund bestimmt. Hohe Betongüten wirken sich
ebenso wie glatte Stahlschalungen negativ auf
die mögliche Verkrallung von Gipsputzen auf
dem Untergrund aus.
Gipsputzablösungen
Obwohl es sich bei dem oben dargestellten
Beton nicht um einen Luftporenbeton handelt,
wies dieser einen Luftporenanteil von ca.
5,7 Vol.-% auf.
Derartig hohe Luftgehalte liegen deutlich über
den üblichen Gehalten von nicht luftporenhaltigen Betonen. Ursächlich werden diese hohen
Luftgehalte durch die Polycarboxylatether in
den Beton eingebracht und lassen sich durch
übliche Verdichtungsverfahren nicht aus dem
Beton austreiben.
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Auch hohe Oberflächenfeuchtigkeiten des
Betons erschweren die mechanische Verkrallung der Gipsputze, da das in den Betonporen
enthaltene Wasser die Poren des Betons verschließt. Dieser Effekt tritt z. B. bei hohen
Restfeuchten im Beton oder bei Betonoberflächen auf, bei denen eine Taupunktunterschreitung erfolgt und die kondensierte Feuchtigkeit als Trennfilm fungiert.
Neben der Einschränkung der primären Verkrallung des Gipsputzes in der Betonoberfläche kann das Haftvermögen des Gipsputzes
auch durch Sekundärreaktionen reduziert werden. Kommt der Gipsputz nach der Erhärtung
intensiv mit Wasser in Kontakt, so wird der
Gips gelöst, wobei ggf. enthaltene Alkalien die
Löslichkeit des Gipses weiter erhöhen. Kristallisiert der Gips beim Austrocknen wieder
aus, so verändert sich die Kristallstruktur und
die Ausrichtung der Gipskristalle, wodurch der
Haftverbund zum Untergrund reduziert wird.
Das für das Lösen des Gipses verantwortliche
Wasser kann sowohl aus dem Beton stammen
(sehr hohe Restfeuchten) als auch nachträglich, z. B. durch die intensive Verwendung von
Tiefengrund, auf den Gipsputz aufgebracht
worden sein.
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