Frost- und Frost-Taumittelwiderstand von Beton (PDF)

Taumitteln auf.Beim Phasenübergang von Wasser zu Eis findet eine Volumenvergrößerung von ca. 9 Prozent statt (Dichteanomalie des Wassers). Nicht nur durch diese Ausdehnung selbst, sondern auch das dadurch verdrängte Wasser führt zu einem Innendruck, der bei Überschreitung der Zugfestigkeit des Betons zur Gefügezerstörung führen kann. Dieses Prinzip wird nach Powers als hydraulischer Druck bezeichnet /38/. Die Größe des Drucks hängt vor allem von der Streckenlänge vom Ort der Eisbildung bis zum nächsten Expansionsraum (z.B. Luftpore) ab. Dieser Zusammenhang erklärt damit die Anforderungen bezüglich des maximalen Abstandsfaktors für Mikroluftporen im Beton.Die Abhängigkeit des Gefrierpunkts von der Porengröße führt zum sogenannten kapillaren Effekt. Das Porengefüge des Zementsteins im Beton kann anhand des Porendurchmessers in drei Bereiche gegliedert werden: (1) Gelporenbereich (< 1 nm), (2) Kapillarporenbereich (10 nm bis 10 mum), Luft- oder Grobporenbereich (10 mum bis 1000 ,mum).Das Gelporenwasser gefriert erst bei sehr niedrigen Temperaturen, die in der Praxis kaum erreicht werden. Gefriert das Wasser in den größeren Poren, entsteht ein thermodynamisches Ungleichgewicht. Das Wasser aus den kleineren Poren ist bestrebt zum Eis in den größeren Poren oder zur eisbedeckten Betonoberfläche zu gelangen (Dampfdruck über Wasser ist größer als über Eis). Dieser Mechanismus erklärt damit Gefügeausdehnungen von Beton auch bei konstant niedriger Temperatur.

Die Wirkmechanismen des Kristallisationsdrucks sowie des thermodynamischen Modells nach Setzer sind noch nicht entgültig geklärt. Daher sollen diese Mechanismen hier nicht näher erläutert werden. Der osmotische Druck stellt keine primäre Schadensursache dar /38/.Die Wirkprinzipien der erläuterten Schädigungsvorgänge machen deutlich, dass der Anteil von Kapillarporen im Beton für den Frost-Taumittel-Widerstand von überragender Bedeutung ist. Alle Mechanismen haben gemeinsam, dass zunächst Wasser (mit oder ohne Taumittellösung) in das Betongefüge eindringen muss. Sieht man von möglichen Rissen im Beton ab, sind nur die Kapillarporen für den Wassertransport ins Betoninnere geeignet. 

Ebenso wird deutlich, dass die Schädigung des Betons durch Frost-Taumittel-Angriff im Wesentlichen eine Oberflächenschädigung zur Folge hat, während reiner Frostangriff primär zu Gefügezerstörungen im Betoninneren führt. So werden zusätzliche Ultraschalluntersuchungen des Betongefüges im Allgemeinen nur in Kombination mit dem CF-Verfahren (ohne Taumittel) vorgenommen (CIF-Test).Schadensmechanismus: Bei einem Frost-Tau-Angriff wird folgendes beobachtet /39/: 1. Der Beton wird durch kapillares Saugen gesättigt und der Sättigungs-grad nimmt nach einem Frost-Tau-Wechsel weiter zu. Hier spricht man von „Frostsaugen“. 2. Während der ersten Frost-Tau-Wechsel ziehen sich Zementstein und Beton überproportional zusammen, sobald das erste Eis gebildet wird. Aufgrund der Eisdehnung von 9 Vol.-% wäre eigentlich eine Expansion zu erwarten. 3. Die Eisdehnung tritt erst dann auf, wenn entweder bei unter –25°C auch das Gelwasser gefriert oder wenn nach vielen Frost-Tau-Wechseln der Sättigungsgrad aufgrund des „Frostsaugens“ bis zu einem kritischen Wert, bei dem Schäden auftreten, weiter angestiegen ist. Dann allerdings ist der Schadensfortschritt rasant.Der Schaden an Beton infolge des Frost- bzw. Frost-Taumittel-Angriffs kann zweierlei Schadensbilder aufweisen. Zum einen kann es zu einer Abwitterung von der Oberfläche kommen, es kann aber auch eine schwerwiegendere Art von Schaden, nämlich eine tiefergehende innere (Gefüge)Schädigung, auftreten /40/. Beide Schadensfälle können gemeinsam, aber auch getrennt vorkommen. Ein ausreichender Sättigungsgrad des Betons ist die Voraussetzung, damit es zu einem der beiden Schadensarten kommen kann. Auslöser der inneren Schädigung ist vor allem die Eisdehnung beim Gefrieren. Bei der Oberflächenabwitterung treten zusätzlich noch Unterkühlungseffekte auf. Außerdem haben die Taumittel chemischen und physikalischen Einfluss auf den Gefrierpunkt und auf die Phasenstabilität der Hydratphasen des Zementsteins und verstärken dadurch die Schädigung.Verhalten von Bauwerken unter Frost-(Tausalz)Beanspruchung:Brückenkappen: Seit 1996 schreibt die ZTV-K /41/ ausschließlich Portlandzement der Festigkeitsklasse Z 32,5 vor. In den vorher gültigen ZTV-K durften auch andere Zementarten verwendet werden. Im Heft „Beton-Informationen 4’1999“ /42/ werden einige Beispiele genannt. Es handelt sich hierbei um Brückenkappen am Niederrhein. Die Brücken führen alle über die Bundesautobahn A 40. Tafel 12 zeigt eine Zusammenstellung der Zusammensetzungen der Brückenkappenbetone mit Hochofenzement.

Der Wirtschaftsweg „Esenberger Bruch“ war nur reinen Frostbeanspruchungen ausgesetzt. Hier wurde nach 30 Jahren festgestellt, dass nur die oberste Zementleimschicht abgewittert war und die Zuschläge noch fest eingebunden waren. Auch der Rand der Brückenkappe war ohne Ausbrüche und nach wie vor scharfkantig.Bei der Stadtstraße „Römerstraße“, die sich in Duisburg – Rheinhausen befindet, wurden auch keine Schäden entdeckt. Sie wurde sogar, falls es erforderlich war, regelmäßig mit Tausalz bestreut und kam ebenso mit salzhaltigem Spritzwasser in Berührung. Auf dem größten Teil der Oberfläche konnte nach 30 Jahren sogar noch der Besenstrich erkannt werden, d.h. es witterte nur die Zementhaut, also weniger als 1 mm, ab.Die Schnellstraße L 327 Duisburg – Moers, die gleichzeitig auch als Autobahnzubringer dient und regelmäßig mit Taumitteln durch den Winterdienst belastet wurde, zeigt ebenso keine Schäden auf. Die Rautenumrisse, die 1968 aufgemalt wurden, sind auch nach 30 Jahren noch schwach zu erkennen.

Die Brücke im Verlauf der A 40 an der Abfahrt Wachtendonk wurde 1972 gebaut und ist bis 1998 nicht instandgesetzt oder beschichtet worden. Die Oberfläche war bis 1999 in einem sehr guten Zustand.Bei all diesen Brückenkappen wurden weder Betonzusatzstoffe noch künstliche Luftporen eingesetzt. Das zuständige Autobahnamt (das auch für die Überführungsbauwerke zuständig ist) teilte hier mit, dass die Bauteile lange nachbehandelt worden sind. Vermutlich wurden sie lange feucht gehalten.Autobahnbrücken: Die Brückenwiderlager an Autobahnbrücken werden regelmäßig und sehr intensiv mit tausalzhaltigem Spritzwasser oder Sprühnebel beaufschlagt. So auch die beiden Brücken Nr. 4806 623 und 4806 627 in der Nähe der Autobahnabfahrt Dormagen /42/. Beide Brücken sind annähernd gleich von der Lage und ihren Abmessungen. Auch die Betonzusammensetzung ist gleich mit der Ausnahme, dass die Brücke 623 mit Portlandzement und die Brücke 627 mit hüttensandreichem Hochofenzement hergestellt wurde. Am östlichen Widerlager („Luv-Seite“) wurden nur geringfügige und am westlichen Widerlager („Lee-Seite“) keine Schäden festgestellt. Bei den regelmäßigen Inspektionen wurde festgestellt, dass weder hinsichtlich der Standsicherheit noch hinsichtlich der Dauerhaftigkeit Instandsetzungsmaßnahmen erforderlich sind. Und das nach über 35 Jahren!

Mit Hochofenzement wurden über die A 40 Duisburg – Venlo 1963/1964 zahlreiche Überbauten hergestellt. Bei den regelmäßigen Inspektionen durch den Landschaftsverband Rheinland wurden bis 1992 keine Schäden festgestellt. Bei den darauffolgenden Inspektionen 1997 (Bauwerk 623) und 1998 (Bauwerk 627) wurden zwar an beiden Bauwerken geringfügige Abplatzungen festgestellt, doch weder hinsichtlich der Standsicherheit noch hinsichtlich der Dauerhaftigkeit waren Instandsetzungsmaßnahmen erforderlich. Im Jahr 1990 wurden die Mittelstützen erstmals besichtigt und nur am Fuße einer Mittelstütze wurden leichte Abwitterungen gefunden. Selbst im Jahr 1998, etwa 25 Jahre nach dem Bau, war deutlich zu erkennen, dass die Beschaffenheit der Betonoberfläche immer noch gut ist und an den Mittelstützen aus CEM III/B keine Frost- Tausalzschäden vorhanden sind.