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Fachvorträge aus Tagungsbänden von FGSV-Veranstaltungen

FGSV-Nr. FGSV M 11
Ort Duisburg
Datum 2012-04-18
Titel Widerstand von Gesteinskörnungen gegen Frost-Tausalz-Beanspruchung im Beton – Vergleich der Vorgehensweisen nach TL Beton-StB und DIN 1045-2
Autoren Ltd. Akad. Dir. Dr.-Ing. Thomas Wörner, Dr. Erhard Westiner, Dipl.-Geol. Sara Neidinger
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Einleitung

Zur Beurteilung des Verhaltens von Gesteinskörnungen bei Frost-Tausalz-Beanspruchung sind im nationalen Regelwerk unterschiedliche Prüfverfahren enthalten. In Abhängigkeit vom Anwendungsbereich kann hierfür der ,,Dosenfrostversuch mit Tausalz" (nach DIN EN 1367-6), das Magnesiumsulfat-Verfahren (nach DIN EN 1367-2) und/oder ein Betonversuch (nach DIN V 18004, Abschnitt 4.3) herangezogen werden. Während im Anwendungsbereich Straßenoberbau gemäß den TL Beton-StB (bzw. TL Gestein-StB) einzig der ,,Dosenfrostversuch mit Tausalz" zur direkten Beurteilung des Verhaltens von Gesteinskörnungen für Beton bei Frost-Tausalz-Beanspruchung zulässig ist, können Gesteinskörnungen für Beton nach DIN 1045-2 zusätzlich über das Magnesiumsulfat-Verfahren und aufwändige Betonversuche beurteilt werden. Da zwischen dem Magnesiumsulfat-Verfahren und dem ,,Dosenfrostversuch mit Tausalz" nachweislich kein direkter Zusammenhang besteht und die Verfahren zu unterschiedlichen Beurteilungen führen können, ist es zwingend notwendig, sich zukünftig für alle Anwendungsbereiche auf ein Verfahren zur Charakterisierung des Verhaltens von Gesteinskörnungen bei Frost-Tausalz-Beanspruchung zu einigen. Anhand der Ergebnisse des AiF-Verbundforschungsprojektes ,,Frostwiderstand von Gesteinskörnungen im Beton" konnte durch einen Vergleich der Ergebnisse der Frostuntersuchungen an isolierten Gesteinskörnungen mit den Ergebnissen von standardisierten Betonversuchen im Labor (CDF-Verfahren und Plattenprüfverfahren mit Tausalz) sowie mit den Ergebnissen von Auslagerungsversuchen nachgewiesen werden, dass die Prüfung der isolierten Gesteinskörnung nicht alleine maßgebend für das Frost-Tausalz-Verhalten eines Betons ist. Dies konnte auch durch Bauwerksbegutachtungen bestätigt werden. Zudem zeigte sich, dass die Frostbeständigkeit von Beton auch von anderen Faktoren wie der Kontaktzone Mörtel/Gesteinskörnung oder dem Mörtel (z. B. Zementart, w/z-Wert) abhängt und dass die alleinige Beurteilung des Verhaltens von Gesteinskörnungen bei Frost-Tausalz-Beanspruchung über Betonversuche mit standardisierten Zusammensetzungen als kritisch anzusehen ist. Um das tatsächliche Verhalten der Betone beschreiben zu können, sollten im Bedarfsfall Betonversuche mit der in der Praxis verwendeten Zusammensetzung angesetzt werden. Die Untersuchungen zeigen, dass die verwendete Gesteinskörnung eine ausreichende Qualität aufweisen muss, um bereits im Vorfeld einer Baumaßnahme sicherzustellen, dass Schäden am Bauwerk vermieden werden. Dies kann im Rahmen der CE-Kennzeichnung durch die ,,Dosenfrostversuche mit Tausalz" hinreichend genau überprüft und sichergestellt werden. Zu diesem Zweck werden anwendungsbezogene Anforderungen an den Widerstand von Gesteinskörnungen gegen Frost-Tausalz-Beanspruchung ­ bestimmt im ,,Dosenfrostversuch mit Tausalz" ­ vorgeschlagen.

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Der Fachvortrag zur Veranstaltung ist im Volltext verfügbar. Das PDF enthält alle Bilder und Formeln.

1 Einleitung

In Deutschland gibt es bisher kein allgemein gültiges Prüfverfahren, mit dem einerseits der Widerstand von Gesteinskörnungen und andererseits der Widerstand damit hergestellter Betone gegen Frost-Tausalz-Beanspruchung ausreichend sicher beschrieben werden kann. Es werden verschiedene Verfahren angewandt, die alle eine Beurteilung von Gesteinskörnungen oder Betonen in verschiedenen Beanspruchungsbereichen ermöglichen, jedoch nicht immer zum gleichen Ergebnis führen. Zudem ist bekannt, dass sich die Ergebnisse von Laborversuchen und insbesondere die Prüfungen an den Gesteinskörnungen nicht ohne weiteres auf das Praxisverhalten damit hergestellter Betone übertragen lassen.

Um die Schäden an Betonen im Anwendungsbereich "Straßen- und Brückenbau" und in der Folge die Erhaltungskosten zu reduzieren, ist eine Optimierung des Kontrollsystems dringend notwendig. Hierfür muss zunächst geklärt werden, wie groß der Einfluss der Gesteinskörnung auf das Frost-Tausalz-Verhalten von Beton tatsächlich ist und ob Prüfungen an isolierten Gesteinskörnungen überhaupt notwendig sind. Vorausgesetzt sie erweisen sich als zielführend, gilt es aus den derzeit für Gesteinskörnungen anerkannten Verfahren das zur Beurteilung des Verhaltens bei Frost-Tausalz-Beanspruchung im Beton am besten geeignete Verfahren festzustellen und praxisgerechte Bewertungskriterien hierfür zu entwickeln. Die nachfolgend zusammengefassten Ausführungen basieren im Wesentlichen auf den Erkenntnissen aus den Untersuchungen in [13, 17, 18].

2 Regelwerk

In Deutschland stellte bis ins Jahr 2008 die DIN V 20000-103 [27] das nationale Anwendungsdokument zur DIN EN 12620 [24] für Gesteinskörnungen für Beton nach DIN 1045-2 [20] dar. Mittlerweile wurden die nationalen Anforderungen als Anhang U in die DIN 1045-2 integriert. National sind somit drei Prüfmethoden zur Charakterisierung des Verhaltens von Gesteinskörnungen bei Frost-Tausalz-Beanspruchung für Beton zulässig: ­

– das Magnesiumsulfat-Verfahren (MS-Verfahren) nach den DIN EN 1367-2 [23], bei dem durch wiederholte Sättigung der Gesteinskörnung mit einer Magnesiumsulfatlösung und anschließender Trocknung ein Kristallisationsdruck aufgebaut wird, ­

– der Frost-Tau-Wechsel-Versuch mit 1 %-iger NaCl-Lösung (FTS-Versuch) nach den DIN EN 1367-6 [22], bei dem durch "Dosenfrost mit 1 %-iger NaCl-Lösung" die natürlichen FrostTau-Wechsel unter niedrig konzentrierter Salzeinwirkung simuliert werde

und der Betonversuch (BV) nach den DIN V 18004 [26], Abschnitt 4.3, der nach Anhang U der DIN 1045-2 nur dann gefordert wird, wenn Gesteinskörnungen die Anforderungen an den Widerstand gegen Magnesiumsulfat oder Frost-Tausalz-Beanspruchung nicht erfüllen. Der Beton ist dann gemäß den DIN V 18004, Abschnitt 4.3.3.2 mittels Plattenprüfverfahren nach den E DIN EN 12390-9 [25], Abschnitt 6 oder alternativ dazu mittels CDF-Verfahren nach den E DIN EN 12390-9, Abschnitt 8 zu prüfen. Maßgebend sind die Abwitterungen nach 56 FrostTau-Wechseln und das Ergebnis der visuellen Prüfung.

In der aktuellen Fassung der "Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen und Richtlinien für Ingenieurbauten (ZTV-ING Teil 3)" [32] wird das Magnesiumsulfat-Verfahren ausgeschlossen. Ein ausreichender Widerstand gegen Frost-Tausalz-Beanspruchung kann hier über den FTS-Versuch oder alternativ über einen Betonversuch nachgewiesen werden.

Zur Prüfung von Gesteinskörnungen für Straßenbeton sehen die TL Gestein-StB als nationales Anwendungsdokument der ZTV Beton-StB [31] und der TL Beton-StB [29] lediglich den Dosenfrostversuch vor. Betonversuche sind in diesem Anwendungsbereich nicht vorgesehen. Die Tabelle 1 zeigt die anzuwendenden Prüfverfahren in Abhängigkeit vom Anwendungsbereich.

Tabelle 1: Anzuwendende Prüfverfahren (MS-Verfahren: Magnesiumsulfat-Verfahren, FTS-Versuch: Frost-Tausalz-Versuch, BV: Betonversuch) in Abhängigkeit vom Anwendungsbereich [17]

Die Anforderungen an Gesteinskörnungen für Beton hinsichtlich ihres Widerstandes gegen Frost-Tausalz-Beanspruchung bzw. gegen Magnesiumsulfat sind national je nach Anwendungsbereich in den DIN 1045-2, den ZTV-ING und für den Bereich der ZTV Beton-StB und den TL Beton-StB in den TL Gestein-StB [30] geregelt. Dabei gelten in den verschiedenen Regelwerken z. T. unterschiedliche Anforderungen.

In der Tabelle 2 sind die unterschiedlichen Anforderungen der verschiedenen Regelwerke (DIN 1045-2, ZTV-ING Teil 3 und TL Gestein-StB) bezüglich des Verhaltens von Gesteinskörnungen bei Frost-Tausalz-Beanspruchung (FTS-Wert, MS-Wert, BV-Wert) zur Verwendung im Beton zusammengestellt.

Tabelle 2: Zusammenstellung der Anforderungen (Kategorie bzw. Anforderungswert) an den MS-Wert, den FTS-Wert bzw. den BV-Wert in Abhängigkeit vom jeweiligen Anwendungsbereich [17]

3 Prüfverfahren

An direkten Prüfverfahren zur Beurteilung des Verhaltens einer Gesteinskörnung bei FrostTausalz-Beanspruchung für Gesteinskörnungen im Beton sieht das nationale Regelwerk ­ je nach Anwendungsbereich ­ das Magnesiumsulfat-Verfahren (MS-Verfahren) nach den DIN EN 1367-2 und/oder den Frost-Tausalz-Versuch (FTS-Versuch) nach den DIN EN 1367-6 vor.

Magnesiumsulfat-Verfahren (MS-Verfahren)

Beim MS-Verfahren nach den DIN EN 1367-2 wird durch wiederholte Sättigung der Gesteinskörnung mit einer Magnesiumsulfatlösung und anschließender Trocknung ein Kristallisationsdruck aufgebaut ("Kristallisationsversuch"). Von jeder zu prüfenden Gesteinskörnung müssen zwei Einzelmessproben der Kornklasse 10/14 mm geprüft werden. Jede Probe wird fünf Belastungszyklen ausgesetzt, wobei jeder Belastungszyklus aus vier Teilabschnitten besteht. Zunächst wird das in Körbe gefüllte Probenmaterial für 17 Stunden in eine gesättigte Magnesiumsulfatlösung getaucht. Danach muss es für zwei Stunden abtropfen, bevor es für 24 Stunden im Wärmeschrank bei 110 °C zu trocknen ist. Vor Beginn des nächsten Beanspruchungszyklusses muss die Probe fünf Stunden im Exsikator (ohne die Aufnahme von Luftfeuchtigkeit) abkühlen.

Die mehrmalige Wechselbeanspruchung bewirkt eine Zerstörung der Einzelkörner und somit eine Kornverfeinerung. Als Kennwert für den Widerstand gegen Magnesiumsulfat dient der Massenanteil an Korn unter 10 mm. Der Mittelwert der beiden Einzelergebnisse ergibt den MS-Wert. Je höher der MS-Wert, desto größer die Abwitterung im MS-Verfahren und damit in der Regel auch die "Frostempfindlichkeit".

Frost-Tausalz-Versuch (FTS-Versuch)

Beim FTS-Versuch nach den DIN EN 1367-6 wird die mit 1 %-iger NaCl-Lösung gesättigte Prüfkornklasse wiederholt Frost-Tau-Wechseln im Kälteschrank ausgesetzt. Dies soll die Bedingungen simulieren, welchen Gesteinskörnungen in der Natur bei wiederholter Frostbeanspruchung unter Tausalzeinwirkung ausgesetzt sind. Da die Prüfkornklasse zusammen mit der Prüflösung in Dosen eingefroren und wieder aufgetaut wird, heißt dieser Versuch auch "Dosenfrost". Von jeder zu prüfenden Gesteinskörnung müssen drei Einzelmessproben geprüft werden. Jede Probe wird zusammen mit 1 %-iger NaCl-Lösung in Dosen gefüllt und für zehn Frost-Tau-Wechsel in den Kälteschrank gestellt. Dabei ist die Temperatur des Kälteschrankes so zu regulieren, dass die Temperatur innerhalb der Proben dem in den DIN EN 1367-6 vorgegebenen Temperaturverlauf entspricht.

Der mehrmalige Frost-Tau-Wechsel unter Anwesenheit von Tausalz beansprucht die Gesteinskörnung und bewirkt eine mehr oder weniger starke Zerstörung der Körner. Das Maß hierfür ist beim "Dosenfrost" die Entstehung von Material d/2 (bei Material der Kornklasse 8/16 mm bedeutet dies 4 mm). Dieses ist für alle drei Einzelmessproben einer Gesteinskörnung nach Abschluss des zehnten Wechsels als Massenanteil von der Ausgangsmasse (in M.-%) zu bestimmen. Der Mittelwert der drei erzielten Ergebnisse ergibt den FTS-Wert. Demnach steht ein höherer FTS-Wert für größere Abwitterung im FTS-Versuch und damit auch für eine höhere "Frostempfindlichkeit".

Zur Übersicht sind in der Tabelle 3 die wichtigsten Eckdaten dieser beiden Frostprüfverfahren an Gesteinskörnungen zusammengefasst.

Tabelle 3: Überblick über die im nationalen Regelwerk enthaltenen Frostprüfverfahren an den Gesteinskörnungen [17]

4 Problemstellung

Zwischen dem MS-Verfahren und dem FTS-Versuch besteht kein zufriedenstellender Zusammenhang. Dies zeigte sich beispielsweise bei der Auswertung der Datensammlung des Arbeitsausschusses 6.1 "Gesteinskörnungen" der Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (Bild 1) [2 in 14]. Ähnliches wurde auch durch Dombrowski [3] und Kalkowski [9] festgestellt, die dies auf grundlegend unterschiedliche Mechanismen bei den Kristallisationsversuchen und den Dosenfrostversuchen zurückführen. Nochmals bestätigt werden konnte der unzureichende Zusammenhang durch das AiF-Verbundforschungsprojekt (Bild 1).

Als kritisch ist zudem zu bewerten, dass die unterschiedlichen Ergebnisse zu unterschiedlichen Beurteilungen führen können. Legt man beispielsweise die geltenden Anforderungen an XF4-Betone nach den DIN 1045-2 zu Grunde, das heißt FTS-Wert 8 M.-% und MS-Wert 18 M.-%, so ergeben sich für alle Gesteinskörnungen, die im Bild 1 (links) in den grau hinterlegten Bereichen liegen widersprüchliche Beurteilungen. Die Gesteinskörnung, die in dem oberen linken Quadranten liegen erfüllen die Anforderungen an den FTS-Wert, nicht jedoch an den MS-Wert, die Werte unten rechts entsprechen der Anforderung an den MS-Wert, nicht jedoch derjenigen an den FTS-Wert.

Die unterschiedliche Beurteilung von Gesteinskörnungen in Abhängigkeit vom gewählten Prüfverfahren muss vermieden werden. Um dies zu erreichen, gilt es zunächst zu klären, wie groß der Einfluss der Gesteinskörnung auf das Frost-Tausalz-Verhalten von Beton tatsächlich ist und ob Prüfungen an der Gesteinskörnung überhaupt notwendig sind. Erweist sich eine Prüfung der Gesteinskörnung als zielführend, muss das Verfahren gefunden werden, das sich am besten zur Charakterisierung des Verhaltens von Gesteinskörnungen für Beton bei Frost-Tausalz-Beanspruchung eignet. Letztlich gilt es dann, praxisgerechte Anforderungen an dieses Verfahren zu definieren.

Bild 1: Zusammenhang zwischen dem MS-Wert und dem FTS-Wert auf Grundlage der Datensammlung des Arbeitsausschusses 6.1 "Gesteinskörnungen" [2 in 14] (links) und auf Grundlage der Ergebnisse des AiF-Verbundforschungsprojektes [17] (rechts)

5 Einfluss der Gesteinskörnung auf das Frost-Tausalz-Verhalten von Betonen

Durch vergleichende Untersuchungen an isolierten Gesteinskörnungen und an Betonen, an denen ausschließlich die grobe Gesteinskörnung variiert wurde, konnte gezeigt werden, dass die grobe Gesteinskörnung einen Einfluss auf das Praxisverhalten damit hergestellter Betone hat. Zur Verdeutlichung ist im Bild 2 exemplarisch der Zusammenhang zwischen den Ergebnissen der Prüfungen an den Gesteinskörnungen (MS-Verfahren bzw. FTS-Versuch) und dem Betonversuch (hier: Plattenprüfverfahren) dargestellt. Es ist zu erkennen, dass höhere Prüfwerte an der Gesteinskörnung tendenziell mit höheren Abwitterungen im Betonversuch einhergehen. Ein Zusammenhang (insbesondere beim FTS-Versuch) scheint folglich gegeben zu sein. Darüber hinaus konnte bei der Begutachtung von Bauwerken mit bekannten Gesteinskörnungen gezeigt werden, dass Schäden am Bauwerk dann vermieden werden, wenn die Gesteinskörnung eine ausreichende Qualität aufweist.

Bild 2: Zusammenhang zwischen der Abwitterung im Betonversuch (Plattenprüfverfahren) und den Ergebnissen der Prüfung an den Gesteinskörnungen (einheitliche Betonzusammensetzung: CEM I 32,5; w/z = 0,50; Zementgehalt = 320 kg/m3; Zugabe von Luftporenbildner) [13]

Vergleichend wurde der Einfluss der Betonzusammensetzung auf das Frost-Tausalz-Verhalten von Betonen überprüft [12]. Hierfür wurden einerseits mit drei verschiedenen Gesteinskörnungen (K1, K4, K7) Betone hergestellt und untersucht, wie sich die Zementart (CEM I 32,5 R und CEM III 42,5 N) auf das Verhalten auswirkt; in einer zweiten Untersuchungsreihewurde bei ansonsten identischer Zusammensetzung lediglich der Wasserzementwert (w/z = 0,50 bzw. 0,55) variiert. Zusammenfassend konnte der große Einfluss der Betonzusammensetzung auf die Ergebnisse der Frostuntersuchungen, wie er u. a. auch von [1, 7, 8, 10, 11] festgestellt wurde, bestätigt werden. Dies zeigt sich tendenziell sowohl bei den Laborversuchen als auch bei den Auslagerungsversuchen. Die Zementart beeinflusst das Ergebnis deutlich stärker als Gesteinskörnungen (Bild 3). Bei den Auslagerungsversuchen ist jedoch zu beachten, dass Aussagen nach zwei Jahren Auslagerung nur tendenziell möglich sind und nur sehr geringe Abwitterungsmengen aufgetreten sind.

Bild 3: Einfluss der Zementart auf das Frost-Tausalz-Verhalten von Beton (einheitliche Betonzusammensetzung: w/z = 0,50; Zementgehalt = 320 kg/m3; Zugabe von Luftporenbildner)

Darüber hinaus fällt auf, dass sich Gesteinskörnungen im Beton je nach verwendeter Zementart und eingestelltem Wasserzementwertes unter Frostbeanspruchung unterschiedlich verhalten. So weisen im dargestellten Beispiel (Bild 4) die Betone mit K4 und K7 beim Plattenprüfverfahren unter Verwendung von CEM I 32,5 R vergleichbare Abwitterungen auf, während sich die Abwitterungen bei den Betonen mit CEM III 42,5 N deutlich unterscheiden.

Bild 4: Einfluss der Zementart auf das Frost-Tausalz-Verhalten von Beton mit unterschiedlichen Gesteinskörnungen (einheitliche Betonzusammensetzung: w/z = 0,50; Zementgehalt = 320 kg/m3; Zugabe von Luftporenbildner)

Auch die Veränderung des Wasserzementwertes wirkt sich auf die Ergebnisse der Frostuntersuchungen an Betonen aus. Ein direkter Zusammenhang zwischen dem Wasserzementwert der Betone und den Kenngrößen der Frostversuche zeigte sich im Rahmen dieser Untersuchungen jedoch nicht.

Zusammenfassend scheinen ­ wie bereits u. a. von Heine [7] beschrieben ­ die betontechnologischen Parameter von entscheidender Bedeutung für den Frostwiderstand von Beton zu sein. Dabei geht Heine davon aus, dass der Einfluss der Gesteinskörnung in Betonen mit einer "guten Matrix" vergleichsweise gering ist, während eine qualitativ hochwertige Gesteinskörnung in einer "schlechten Matrix" nicht viel bewirkt.

Die Tatsache, dass sich Gesteinskörnungen im Beton in Abhängigkeit von der Betonzusammensetzung teilweise unterschiedlich verhalten, zeigt, dass Betonversuche mit standardisierten Zusammensetzungen nicht zielführend sind. Um das tatsächliche Verhalten von Gesteinskörnungen im Beton bei Frost-Tausalz-Beanspruchung beschreiben zu können, ist es notwendig, Betonversuche mit der in der Praxis verwendeten Zusammensetzung durchzuführen [19].

6 Beurteilung der Prüfverfahren für die Gesteinskörnungen

Da die Qualität der Gesteinskörnungen für die Vermeidung von Schäden an Bauwerken ein wesentlicher Aspekt ist, stellt sich die Frage, mit welchem Verfahren die Qualität der Gesteinskörnungen im Hinblick auf das Verhalten bei Frost-Tausalz-Beanspruchung am besten überprüft und sichergestellt werden kann.

Bewertungskriterien hierbei sind Praktikabilität, Praxisnähe und Reproduzierbarkeit. Zudem sollte das Verfahren die Eigenschaften der Gesteinskörnungen auch ausreichend differenzieren. Rückschlüsse auf die Praxisnähe können aus der Korrelation mit Betonprüfungen und der Praxis sowie aus einem Vergleich der Beanspruchungsarten gezogen werden. Die Korrelation mit den Betonversuchen und der Praxis ist, wie aus der Betrachtung des Einflusses der Gesteinskörnungen schon deutlich wurde (Abschnitt 5) nicht zufriedenstellend. Der Beanspruchungsmechanismus ist beim Dosenfrostversuch praxisnäher als beim MS-Verfahren, was schon die Fachdiskussionen in [5, 6, 7, 15] verdeutlichen. Zudem ist bekannt, dass insbesondere bei Karbonaten chemische Reaktionen mit der Magnesiumsulfatlösung die Versuchsergebnisse beeinflussen. Dies konnte im Rahmen des AiF-Verbundforschungsprojektes nochmals bestätigt werden (Bild 5).

Während die Proben K1 bis K7 und F1 bis F3 bei FTS-Versuch und MS-Verfahren ein ähnliches Verhalten zeigen, schneiden die Proben F4 bis F6 im MS-Versuch deutlich besser ab. Bei den Proben F4 bis F6 handelt es sich um Kalksteine, die beim MS-Versuch offensichtlich chemisch mit der Prüflösung reagieren, was eine Verbesserung des Verhaltens ("Dolomitisierung") bewirkt. Bei direkter Frost-Tausalz-Beanspruchung sind vergleichbare Reaktionen bislang weder aus der Praxis noch aus Laborversuchen bekannt.

Im Hinblick auf die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse ist der Dosenfrostversuch deutlich positiver zu sehen, als das MS-Verfahren. Dies kann über die Streuung der Ergebnisse von jeweils fünf Einzelmessproben bei beiden Versuchen vergleicht (Bild 5) gezeigt werden. Die Streuung ist beim FTS-Versuch deutlich geringer als beim MS-Verfahren.

Die Differenzierung ist bei beiden Verfahren ausreichend und vergleichbar. Dies äußert sich in einer deutlichen Spreizung der Ergebnisse bei Gesteinskörnungen unterschiedlicher Qualität, was sich in Form von vergleichbaren Wertebereichen äußert (Bild 5).

Bild 5: FTS-Werte bzw. MS-Werte von 13 verschiedenen Gesteinskörnungen (jeweils fünf Einzelversuche) [13, 17]

Darüber hinaus muss ein Prüfverfahren möglichst wirtschaftlich sein. Hierbei spielt der Faktor Zeit und der anfallende Aufwand eine wichtige Rolle. Das MS-Verfahren ist ein apparativ nicht aufwändiges, aber sehr arbeitsintensives und zeitaufwändiges Verfahren. Der FTS-Versuch ist bei Vorhandensein eines geeigneten Kälteschranks ein relativ einfacher Versuch. Während der zehntägigen Versuchsdauer fallen keine zeitintensiven Arbeiten an.

In der Tabelle 4 werden das MS-Verfahren und der der FTS-Versuch zusammenfassend schematisch bewertet.

Der FTS-Versuch ist zur Überprüfung und Sicherstellung der Qualität von Gesteinskörnungen im Hinblick auf das Verhalten bei Frost-Tausalz-Beanspruchung (beispielsweise im Rahmen der CE Kennzeichnung) in jedem Fall zu bevorzugen.

Tabelle 4: Zusammenfassende Beurteilung der Frostprüfverfahren an Gesteinskörnungen (+ positiv; o neutral; - negativ) [13, 17]

7 Empfehlung für Anforderungswerte an Gesteinskörnungen für Beton im Hinblick auf das Verhalten bei FTS-Beanspruchung

Mit Inkrafttreten der überarbeiteten Europäischen Norm (EN 12620) ist das MS-Verfahren nicht mehr für eine Beurteilung des Verhaltens von Gesteinskörnungen bei Frost-TausalzBeanspruchung vorgesehen. Stattdessen sind Gesteinskörnungen ausschließlich mit dem Dosenfrostversuch mit Tausalz oder alternativ dazu durch den Betonversuch nach den DIN V 18004, Abschnitt 4.3 zu prüfen. Diese Änderungen wurden mittlerweile mehrfach belegt und bestätigt, fordern nun aber praxisgerechte Anforderungswerte für den Dosenfrostversuch mit Tausalz, die national umgesetzt und bei einer Überarbeitung der DIN 1045-2 in Tabelle F.2.2 verankert werden müssen.

Damit vergleichbar war die Problemstellung bei der Einführung der ZTV-ING, Teil 3. Auch hier durfte das bis dahin zulässige MS-Verfahren nicht weiter zur Beurteilung des Widerstandes von Gesteinskörnungen gegen Frost-Tausalz-Beanspruchung herangezogen werden und es mussten Anforderungen an den Dosenfrostversuch mit Tausalz definiert werden. Die Anforderungswerte wurden damals aus der bisherigen Regelung übernommen und unabhängig von der Expositionsklasse auf maximal 8 M.-% Abwitterung im FTS-Versuch festgelegt. Diesen Anforderungswert konnten bestimmte Gesteinskörnungen, für die jedoch positive baupraktische Erfahrungen vorliegen, nicht erbringen und wurden damit von einer Verwendung in XF2-Betonbauteilen ausgeschlossen [14]. In Bayern und Baden-Württemberg wurde deshalb das Anforderungskriterium der ZTV-ING für den Nachweis des Widerstandes der groben Gesteinskörnungen gegen Frost-Tausalz-Beanspruchung für die Expositionsklasse XF2 produktneutral auf maximal 25 M.-% Abwitterung beim FTS-Versuch angehoben. Maßgebend hierfür waren primär die Ergebnisse labortechnischer Untersuchungen [4, 14].

Diese Regelung wurde als Grundlage herangezogen und überprüft, inwieweit das hier definierte Kriterium für die Expositionsklasse XF2 tatsächlich zielführend ist. Davon ist auszugehen, wenn einerseits gezeigt werden kann, dass der ursprüngliche Anforderungswert von maximal 2 M.-% nach den DIN 4226-1 [21] im Dosenfrostversuch mit Wasser richtig gewählt war und dass andererseits der für die Expositionsklasse XF2 angepasste Anforderungswert von maximal 25 M.-% Abwitterung im FTS-Versuch ­ bezogen auf das Praxisverhalten der Betone ­ dem "alten" entspricht.

Aus der Tatsache, dass bei der Begutachtung von insgesamt 33 Bauwerken kaum Schäden an XF2-Bauteilen festgestellt wurden, lässt sich folgern, dass die bisher für XF2- bzw. XF4-Bauteile eingesetzten Gesteinskörnungen den Anforderungen genügen und damit der ursprüngliche Anforderungswert nach den DIN 4226-1 von maximal 2 M.-% Abwitterung im Frost-Tau-Wechsel-Versuch sinnvoll gewählt war.

Eine direkte Übertragung des bewährten FTW-Anforderungswertes auf den FTS-Versuch ist nicht möglich, da es keinen zufriedenstellenden Zusammenhang zwischen dem FTW- und dem FTS-Versuch gibt [vgl. 2]. Die Begutachtung von XF2-Betonbauteilen aus Gesteinskörnungen mit bekannten und eher kritischen FTS-Werten (> 8 M.-% Abwitterung) ermöglicht Rückschlüsse darauf, ob ein Anforderungswert von 25 M.-% zweckmäßig ist. Da bei der Begutachtung insgesamt nur wenige Schäden festgestellt wurden, kann man davon ausgehen, dass der angepasste Anforderungswert nicht zu hoch gewählt ist. Gleichzeitig verdeutlichen die vereinzelt auftretenden Schäden, die vermutlich durch Gesteinskörnungen mit zu geringem Widerstand gegen Frost-Tausalz-Beanspruchung hervorgerufen wurden, dass sich nicht jede Gesteinskörnung zum Einsatz für XF2-Bauteile eignet und ein ausreichender Widerstand gegen Frost-Tausalz-Beanspruchung gegeben sein muss. In den beiden Fällen, in denen die Schäden vermutlich gesteinskörnungsbedingt sind, erfüllt die verwendete Gesteinskörnung die angepasste Anforderungen an den FTS-Wert nicht und kann daher aktuell nicht eingesetzt werden. Dies kann als weiteres Argument für die Umstellung des Anforderungskriteriums und die Anpassung des Anforderungswertes gewertet werden.

Das positive Praxisverhalten der begutachteten Betonbauteile (Brückenkappen) zeigt , dass der in Bayern geltende Anforderungswert an Gesteinskörnungen für Kappenbeton von 5 M.-% Abwitterung im FTS-Versuch treffend gewählt wurde.

Zusammenfassend konnte durch die Bauwerksbegutachtung gezeigt werden, dass die bisher für XF2-Bauteile und Kappen verwendeten Gesteinskörnungen den an sie für den Anwendungsbereich gestellten Anforderungen genügen. Daneben deutet der gute Zustand der begutachteten Brücken mit Gesteinskörnungen im kritischen FTS-Wertebereich (> 8 M.-%) an, dass der neue Anforderungswert, der basierend auf Laboruntersuchungen festgelegt wurde, in der richtigen Größenordnung liegt und den baupraktischen Erfahrungen gerecht wird.

Da die Anforderungswerte, die im Zuge der Sonderregelung für Bayern und Baden-Württemberg festgelegt wurden, als zielführend und praxisgerecht bestätigt werden konnten, sollten sie Berücksichtigung in dem allgemeinen Regelwerk finden. Als Vorschlag für praktikable Anforderungswerte an Gesteinskörnungen im Hinblick auf das Verhalten bei Frost- bzw. Frost-Tausalz-Beanspruchung werden die Werte der Tabelle 5 vorgeschlagen. Bezüglichder aktuellen Anforderungswerte an den Widerstand gegen Frost-Tau-Wechsel (FTW-Wert) wird kein Änderungsbedarf gesehen. Die Anforderungskategorien von F2 bzw. F4 an XF3- bzw. XF1-Betone haben sich langfristig bewährt und gelten als praxisgerecht. An Gesteinskörnungen für Unterbetone, für Oberbetone bzw. für Oberbetone für die Klimazone III sollten analoge Anforderungen wie an Gesteinskörnungen für XF3-, XF4- bzw. Kappenbetone gestellt werden. Alternativ soll weiterhin die Möglichkeit bestehen, den Nachweis eines ausreichenden Frost-Tausalz-Widerstandes über einen Betonversuch zu erbringen.

Tabelle 5: Empfehlung für Anforderungswerte an Gesteinskörnungen für Beton im Hinblick auf das Verhalten der Gesteinskörnung bei Frost- bzw. Frost-TausalzBeanspruchung Expositionsklasse Straßenbau FTW-Wert [M.-%] FTS-Wert [M.-%]

Literaturverzeichnis

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17 W e s t i n e r, E.; W ö r n e r, Th.; N e i d i n g e r, S.; B r a m e s h u b e r, W.; R a h i m i, A.: Verbundforschung Frost- und Frost-Tausalz-Widerstand von Beton unter besonderer Berücksichtigung der verwendeten Gesteinskörnungen ­ Teilprojekt "Prüfung der Gesteinskörnung und Bedeutung der Kontaktzone". Schlussbericht zum AiF-Vorhaben Nr. 15212 N (1/2011).

18 W e s t i n e r, E.; W ö r n e r, Th.; N e i d i n g e r, S.: Untersuchungen zum Frost-Tausalz-Widerstand von Beton der Expositionsklasse XF2 nach ZTV-ING, Teil 1: Historische Erkundung. Schlussbericht zum Forschungsprojekt des Bayerischen Industrieverbandes Steine und Erden e. V., TU München (11/2009).

19 W e s t i n e r, E.; W ö r n e r, Th.; N e i d i n g e r, S.; B r a m e s h u b e r, W.; R a h i m i, A.: Verbundforschung Frost- und Frost-Tausalz-Widerstand von Beton unter besonderer Berücksichtigung der verwendeten Gesteinskörnungen ­ Teilprojekt "Prüfung der Gesteinskörnung und Bedeutung der Kontaktzone". ­ Zusammenfassung zum AiF-Vorhaben Nr. 15212 N, 2011.

20 DIN 1045-2: Tragwerke aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton ­ Teil 2: Beton; Festlegung, Eigenschaften, Herstellung und Konformität.

21 DIN 4226-1: Gesteinskörnungen für Beton und Mörtel ­ Teil 1: Normale und schwere Gesteinskörnungen, 2001-07.

22 DIN EN 1367-6: Prüfverfahren für thermische Eigenschaften und Verwitterungsbeständigkeit von Gesteinskörnungen ­ Teil 6: Beständigkeit gegen Frost-Tau-Wechsel in der Gegenwart von Salz.

23 DIN EN 1367-2: Prüfverfahren für thermische Eigenschaften und Verwitterungsbeständigkeit von Gesteinskörnungen ­ Teil 2: Magnesiumsulfat-Verfahren.

24 DIN EN 12620: Gesteinskörnungen für Beton.

25 DIN EN 12390-9: Prüfung von Festbeton ­ Teil 9: Frost- und Frost-Tausalzwiderstand, Abwitterung.

26 DIN V 18004: Anwendungen von Bauprodukten in Bauwerken - Prüfverfahren für Gesteinskörnungen nach DIN V 20000-103 und DIN V 20000-104.

27 DIN V 20000-103: Anwendung von Bauprodukten in Bauwerken ­ Teil 103: Gesteinskörnungen nach DIN EN 12620.

28 Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Richtlinien für die Standardisierung des Oberbaues von Verkehrsflächen (RStO), Köln, FGSV 499.

29 Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Technische Lieferbedingungen für Baustoffe und Baustoffgemische für Tragschichten mit hydraulischen Bindemitteln und Fahrbahndecken aus Beton, Ausgabe 2007 (TL Beton-StB 07), Köln, FGSV 891.

30 Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Technische Lieferbedingungen für Gesteinskörnungen im Straßenbau, Ausgabe 2004, Fassung 2007 (TL Gestein-StB 04), Köln, FGSV 613.

31 Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für den Bau von Tragschichten mit hydraulischem bindemitteln und Fahrbahndecken aus Beton (ZTV Beton-StB), Ausgabe 2007, FGSV 899.

32 Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Ingenieurbauten (ZTV-ING).

33 Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Ingenieurbauten (ZTV-ING), Fortschreibung Juli 2006, Bekanntmachung der Obersten Baubehörde im Bayerischen Staatsministerium des Innern vom 2. Juli 2008 Az.: IID8-43420-004/03 ­ In: Allgemeines Ministerialblatt Nummer 6, München 30. Juli 2008, 21. Jahrgang.

34 Verwaltungsvorschrift des Innenministeriums über die Fortschreibung der Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen und Richtlinien für Ingenieurbauten (ZTV-ING), der Technischen Lieferbedingungen und Prüfvorschriften (TL/TP-ING) und des Merkblattes für die Bauüberwachung von Ingenieurbauten (M-BÜ-ING) vom 20. Juli 2008 Az.: 63-3944.0/144 ­ In: Gemeinsames Amtsblatt des Landes Baden-Württemberg Nummer 6, Stuttgart, 30. Juli 2008, 56. Jahrgang.

35 Bekanntmachung der Obersten Baubehörde im Bayerischen Staatsministerium des Innern Nr. II D8-43420-004/03 vom 29. 9. 2011.

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