10. Kolloquium Industrieböden - März 2020 305 Die sehr schwindarme Beton-Bodenplatte Dr.-Ing. Carlhermann Conrad ECC-Consulting, Moers 1. Allgemeines Wie ist die hier gestellte Frage zu bewerten, ist sie berechtigt? Schauen wir uns den Bereich „Instandsetzung von Stahlbetonkonstruktionen“ an, dann können wir feststellen, dass wir es mit einem sehr großen Marktvolumen zu tun haben. Von den Anfängen der „Betonsanierung“ in der Mitte der 70ziger Jahre in Berlin, bis zur ZTV-Ing. war es ein langer Weg. Der Berichter war vom ersten Tag an dabei. Aber auch heute noch, nach vielleicht 100 Tagungen und Veröffentlichungen lebt dieser Markt und wenn wir die Bauchemie fragen, dann bestätigt sie, dass ihr Umsatz auf diesem Gebiet bei immer noch 40% liegt. Darf hier die Frage gestellt werden, hat die Branche was gelernt? Wenn wir uns nur den Zustand der Brücken in Deutschland vor Augen führen, kommen wir zu dem Schluss, das Problem der „Betonsanierung“ wird uns noch lange beschäftigen, es bleibt weiterhin ein interessanter Wirtschaftszweig. Warum entstehen Schäden am Beton? Die Antworten füllen ganze Fachbibliotheken, wir wollen uns hier auf die wichtigsten Gründe und Ursachen beschränken, es soll nicht mehr als eine Aufzählung von Beispielen sein, kein Ranking. • Der Verlauf der Carbonatisierung • Einwanderung von Chloriden • Schlechte, oder keine Nachbehandlung • Einbau des Betons bei einer Temperatur von über 30°C • Überschreitung der offenen Reaktionszeit • Ein zu hoher w/ z-Wert • Verwendung eines nicht optimalen Zements (Spätschwinden) • Chemische Angriffe • Schwindvorgänge, Rissbildung 2. Beispiele auf die Qualität des Betons 2.1 Die Abbildung D 1.12 zeigt die Abhängigkeit der Betonfestigkeit vom w/ z-Wert. Bei einem Wert von 0,40 hat der Kollege die Festigkeit mit 100% festgelegt, bei einem w/ z-Wert von 0,55 sinkt die Festigkeit bereits um ca. 30%. 7.7 Conrad.indd 305 12.02.20 13: 04 306 10. Kolloquium Industrieböden - März 2020 Die sehr schwindarme Beton-Bodenplatte 2.2 Die Abbildung 2.24 macht deutlich, dass der Verlauf der Carbonatisierung bei einem w/ z von 0,40 gegen Null geht. 2.3 Die Abbildung 43 zeigt, dass die Durchlässigkeit von Beton bei einem w/ z von 0,40 auch hier gegen Null geht. 2.4 Bild 10 zeigt der Härtungsverlauf von einem Beton innerhalb von 28 d. Wir werden später sehen, dass eine solche Darstellung wenig zur Beurteilung der Qualität eines Betons aussagt, denn die wichtige Frage, welche Menge an Zement zu diesem Zeitpunkt chemisch umgesetzt ist, bleibt hier offen. Bei einer Zementmenge von 350 kg/ m³ Beton liegt die Differenz des chemischen Schwindmaßes zwischen einem w/ z von 0,40 und 0,55 bei ca. 0,350 mm/ m zu Gunsten von 0,40. 7.7 Conrad.indd 306 12.02.20 13: 04 10. Kolloquium Industrieböden - März 2020 307 Die sehr schwindarme Beton-Bodenplatte 2.7 Bild 37 zeigt die Reaktionsverläufe der Klinkephasen Betrachtet man die Kurven in den ersten Tagen, dann sieht man, dass die C3S-Phase hier deutlich die Reaktion dominiert. Die Literaturstelle empfiehlt einen Zement mit einem höheren Anteil an C2S-Phase, unter dem Motto: „ Je langsamer, desto besser“. 2.8 Bild 48 zeigt das Schrumpfverhalten von 3 Zementen (alte Bezeichnungen). Die Zahlen machen deutlich, dass die Umsetzungen nach 28 unterschiedlich sind. Die Zahlen machen deutlich, dass die Umsetzung beim PZ 225 um ca. 40% niedriger liegt als beim PZ 425. Hier ist mit einem hohen Anteil an chemischem Spätschwinden zu rechnen. 7.7 Conrad.indd 307 12.02.20 13: 04 308 10. Kolloquium Industrieböden - März 2020 Die sehr schwindarme Beton-Bodenplatte 2.9. Bild 7.8 zeigt den Abfall, 50%, des E-Moduls nach Frost-Taubelastung in Abhängigkeit des Gehalts an Kapillarporen. Zeigt der Beton keine Kapillarporen, also wie bei einem w/ z von 0.40, dann erhält man auch einen sehr hohen Widerstand. Schauen wir uns den Bereich von ca. 5,5% Kapillarporen an. Wie er bei einem w/ Z von 0.55 zu erwarten ist, dann liegt der Bereich des Versagens bei ca. 350 Tauwechsel, wogegen die Anteile bei einem w/ z von 0,40 bei 800 Wechsel liegen. 3. Wobei beim wichtigen Thema „Schwinden von Beton“ sind 3.1 Schwinden durch Trocknung Hat ein Beton nach der Endreaktion zwischen Wasser und Zement noch freies Wasser, dann kann dieser Anteil verdunsten und das Bauteil verkürzt sich. Wenn man sich mit diesem Thema beschäftigt, dann muss man sehen, dass im Beton nur der Anteil des Zementsteins schwindet 3.2 Chemisches Schwinden Bereits 1912 hat Kühl, Berlin, nachgewiesen, dass, mischt man 100 g Zement mit 25 g Wasser, diese Mischung einen Volumenverlust von 9,5% zeigt. Czernin, Wien, hat dann 1964 mit einem verbesserten Messverfahren nachgewiesen, dass dieser Wert bei 10,6% liegt. Heute wissen wir, dass der Anteil von 25 g Wasser bei einer solchen Mischung 25% seines Volumens verliert. Warum ist das so, warum läuft diese Reaktion so ab? Das flüssige Wassermolekül ist um einen Winkel von 105° gekrümmt. Wird das Molekül aber in den Zementstein eingebaut wird es linear und verliert auf diem Weg 25% seines Volumens und dieser „Verlust“ an Volumen läuft immer dann ab, wenn Wasser mit Zement reagiert, auch beim Spätschwind3en. 3.3 Ein bildlicher Nachweis Bild 3 zeigt den Verlauf der Porenstrukturen eines Betons in Abhängigkeit von einem Jahr. Hier sehen wir, dass zwischen der Porengröße von 0,01 µm und 0,1 µm innerhalb eines Jahres die Nachrektion verläuft. Hier wird auch indirekt das chemisch Nachschwinden nachgewiesen. 7.7 Conrad.indd 308 12.02.20 13: 04 10. Kolloquium Industrieböden - März 2020 309 Die sehr schwindarme Beton-Bodenplatte 4. Was können wir tun, um diese Einflussgrößen zu minimieren, zu vermeiden? 4.1 Es ist zu empfehlen, der w/ z-Wert auf 0,40 zu begrenzen. Die moderne Bauchemie macht dies heute Problemlos möglich. 4.2 Wenn die Festigkeit um 30% zwischen w/ z von 0,40 und 055 fällt, können wir, bei einem w/ z von 0,40 die Zementmenge entsprechen reduzieren. Es sei hier erwähnt, dass das chemisch Schwinden nahezu lineare von der eingesetzten Zementmenge abhängig ist. Weniger Zement ist gleich weniger Schwinden 4.3 Wenn wir das Spätschwinden deutlich reduzieren wollen, oder müssen, ist der Einsatz von latenten Reaktionspartnern, wie z.B. Flugasche nicht zu empfehlen. 4.4 Durch den Einsatz geeigneter Schwindreduzierer, wie z.B. ConFormat LE 14, kann das Schwindmaß, gemessen in der Schwindrinne auf < 0,200 mm/ m gedrückt werden, so kann die Rissbildung deutlich reduziert, oder auch vermieden werden. Zusammensetzung eines Betons nach diesen Ausführungen CEM I 42,5 N 350 kg Sand 0/ 4 mm 730 kg Kies 4/ 8 mm 400 kg Kies 8/ 16 mm 780 kg ConFormat LE 14 15 kg enthält ca. 10 l Wasser ConFormat FM 35-30 1 kg Wasser ges. 130 kg 2.406 kg Frischbeton Verdichtungsmaß: 10 Min. 60 Min. 1,16 1,18 Rohdichte: kg/ m³ 2,44 2,42 LP-Gehalt (%) 1,3 1,7 Festbeton 7 d 28 d 28 FTW Rohdicht kg/ m³ 2,39 2,38 Spaltzugfestigkeit N/ mm² 4,3 5,6 DF Würfel N/ mm² 53,3 73,2 DF Zylinder N/ mm² 38,1 51,0 BZ Festigkeit N/ mm² 4,7 CDF-Prüfung g/ m² 524 Schwindmaß, gemessen in der Schwindrinne 50x50x1.000 mm, nach 4 Monaten iM 0,180 mm/ m Dies ist eine Einstellung für Straßenbeton, ohne LP-Mittel. Da dieser Beton auch nach DIN 1045 eingesetzt werden darf, werden für die Pumpqualität 5 kg Fließmittel zugegeben. Die hier gezeigte Betonzusammensetzung hat die oben erwähnten Vorteile, Sie wurden von der bast (Bundesanstalt für das Straßenwesen) zum Einsatz in Betonstraßen geprüft. Hier wurde auf den Einsatz von LP-Mittel verzichtet. 7.7 Conrad.indd 309 12.02.20 13: 04 310 10. Kolloquium Industrieböden - März 2020 Die sehr schwindarme Beton-Bodenplatte Beispiel eines Schwindverlaufs: 7.7 Conrad.indd 310 12.02.20 12: 46 10. Kolloquium Industrieböden - März 2020 311 Die sehr schwindarme Beton-Bodenplatte Hinweis: Will, oder muss man die Zugfestigkeit eines Betons erhöhen, so ist es zu empfehlen an Stelle von Quarz-Kies Grantsplitt, oder noch besser Diabassplitt zu verwenden. Die Anwachsung des Zementsteins an die Splitte ist deutlich höher. Tafel V aus einer Dissertation von 1972 macht die deutlich. Literaturverzeichnis: [1] Wesche 2 [2] Eisenmann, Betonstraßen [3] Franjetic, Beton, Schnellerhärtung [4] Czernin, Wien, Zementchemie für Bauingenieure [5] Conrad, Schwindarmet Beton für Hallenböden 2008 7.7 Conrad.indd 311 12.02.20 12: 46