Jochen Stark Bernd Wicht Dauerhaf tigkeit von Beton 2. Auflage Dauerhaftigkeit von Beton Jochen Stark · Bernd Wicht Dauerhaftigkeit von Beton 2., aktualisierte und erweiterte Auflage Jochen Stark Bernd Wicht F. A. Finger-Institut für Baustoffkunde F. A. Finger-Institut für Baustoffkunde Bauhaus-Universität Weimar Bauhaus-Universität Weimar Weimar, Deutschland Weimar, Deutschland Leider war es Bernd Wicht nicht vergönnt, das Erscheinen dieses Buches zu erleben. ISBN 978-3-642-35277-5 ISBN 978-3-642-35278-2 (eBook) DOI 10.1007/978-3-642-35278-2 Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Springer Vieweg © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2013 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Vieweg ist eine Marke von Springer DE. Springer DE ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media www.springer-vieweg.de Vorwort Beton ist der am häufigsten verwendete Bau- und Werkstoff der Gegenwart und wie kein anderes Material dazu geeignet, Visionen zu realisieren und Emotionen zu wecken. Vom ersten Bundespräsidenten der Bundesrepublik Deutschland, Theodor Heuss, wurde Beton einmal als „der Baustoff unseres Jahrhunderts“ bezeichnet. Und wir können heute hinzufügen, dass Beton nicht nur der Baustoff des 20. Jahrhunderts war, sondern mit Sicherheit auch der Baustoff des 21. Jahrhunderts sein wird. Gegenwärtig werden jähr- lich etwa 7–10 Milliarden Kubikmeter Beton hergestellt. Das hydraulische Bindemittel Zement bildet zusammen mit Wasser den Zementleim, der im erhärteten Zustand als Zementstein die Gesteinskörner des Betons fest und dauerhaft verbindet. Für die man- nigfaltigen Bauaufgaben gibt es keinen besseren „Kleber“ mit einem derart günstigen Preis-Leistungs-Verhältnis. Ein Kilogramm Zement kostet durchschnittlich etwa 8–10 Cent, für Kunststoffe liegt der Kilopreis um den Faktor 10–30 darüber. So ist es kein Wunder, dass der erst 1843 erfundene Zement heute mit einer Weltjahresproduktion von etwa 2,5 Milliarden Tonnen der wichtigste Ausgangsstoff für das Bauwesen ist. Aufgrund seiner hervorragenden Eigenschaften und auch wegen seiner ökologischen Unbedenklichkeit wird sich seine Sortenvielfalt in den nächsten Jahren erweitern und spezielle Hochleistungszemente für besondere Anforderungen und Aufgaben werden in Zukunft immer mehr gefragt sein. Aufgrund seiner hervorragenden Eigenschaften wird Beton auch in Zukunft weiter seine überragende Rolle als Baustoff behaupten, trotz gele- gentlicher Kritiken hinsichtlich Ästhetik oder Dauerhaftigkeit. Der Kritik hinsichtlich Ästhetik müssen sich Architekten und Künstler stellen, hinsichtlich der Dauerhaftigkeit ist der Bau- bzw. Baustoffingenieur gefordert. Im vorliegenden Buch werden die wesentlichsten Aspekte zu Fragen der Dauerhaftigkeit von Beton aus werkstofflicher Sicht behandelt. Das Buch soll helfen, als wichtige Voraussetzung für Bauwerke mit langer Nutzungsdauer das Wissen vom Verhalten des Baustoffs Beton bei unterschiedlichen Beanspruchungen und Einflüssen zu vermitteln und zu erweitern. Am F. A. Finger-Institut für Baustoffkunde (FIB) der Bauhaus-Universität Weimar werden seit vielen Jahren Forschungsarbeiten zu Fragen der Dauerhaftigkeit von Beton durchgeführt. Ein großer Teil der Ergebnisse dieser Forschungen ist Bestandteil die- ses Buches. Das betrifft insbesondere die Kapitel zur schädigenden Ettringitbildung, V VI Vorwort zur Alkali-Kieselsäure-Reaktion, zum Frost- und Frost-Tausalz-Widerstand sowie zur Sulfatbeständigkeit von Beton. Bei der Erarbeitung des Buches haben dankenswerterweise viele Mitarbeiter des F. A. Finger-Institutes für Baustoffkunde mitgewirkt: Dr. rer. nat. Ernst Freyburg, Frau Dipl.- Ing. Katrin Seyfarth, Frau Dipl.-Ing. Doreen Erfurt, Dipl-Ing. Colin Giebson (Alkali- Kieselsäure-Reaktion), Dr. rer. nat. Bernd Möser (ESEM-Untersuchungen), PD Dr.-Ing. habil. Frank Bellmann (Zementhydratation, Thaumasitbildung) und Dr. rer. nat. Peter Nobst (Sulfatbeständigkeit). Dipl.-Ing. Wilfried Burkert gilt besonderer Dank für seine kritische Durchsicht des Manuskripts sowie viele ergänzende Hinweise. Weimar, September 2012 Jochen Stark Bernd Wicht Inhaltsverzeichnis 1 Kenngrößen und Einflussfaktoren auf die Dauerhaftigkeit von Beton ...... 1 1.1 Historische Rolle der Dauerhaftigkeit ................................ 1 1.2 Voraussetzungen für die Dauerhaftigkeit ............................. 2 1.2.1 Grundsätzliches ............................................ 3 1.2.2 Wesentliche betontechnische Maßnahmen zur Gewährleistung der Dauerhaftigkeit ......................................... 7 1.2.3 Grenzwerte für die Betonzusammensetzung ................... 16 1.3 Einfluss des Zementsteins .......................................... 16 Literatur .............................................................. 24 2 Zement .............................................................. 27 2.1 Kurzer historischer Abriss ......................................... 27 2.2 Portlandzementklinker ............................................ 28 2.2.1 Chemische Zusammensetzung ............................... 28 2.2.2 Mineralogische Zusammensetzung ........................... 29 2.2.3 Zementtechnische Eigenschaften der Klinkermineralien ......... 33 2.2.4 Ökologische Aspekte ....................................... 36 2.3 Sulfatträger ...................................................... 37 2.4 Zumahlstoffe ..................................................... 39 2.4.1 Latent hydraulische Stoffe ................................... 40 2.4.2 Puzzolanische Stoffe ........................................ 41 2.4.3 Inerte Stoffe ............................................... 46 2.4.4 Wirkung von Zumahlstoffen ................................. 46 2.4.5 Zumahlstoffzemente im Beton ............................... 48 2.5 Zementmahlung .................................................. 48 2.6 Hydratation ...................................................... 49 2.6.1 Verfestigungsprozesse ...................................... 50 2.6.2 Hydratation der silicatischen Phasen C S und C S .............. 51 3 2 2.6.3 Hydratation des C A ....................................... 54 3 2.6.4 Hydratation des C AF ...................................... 56 4 VII VIII Inhaltsverzeichnis 2.6.5 Vergleich der Hydratationsprodukte .......................... 56 2.6.6 Hydratation von Portlandzement ............................. 56 2.7 Zement nach DIN EN 197-1 ....................................... 83 2.7.1 Normanforderungen an Zemente ............................ 89 2.7.2 Zemente mit besonderen Eigenschaften nach DIN EN 197-1, DIN EN 14216 und DIN 1164. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 2.8 Sulfathüttenzement ............................................... 95 2.9 Feinstzemente .................................................... 98 Literatur .............................................................. 100 3 Carbonatisierung von Beton ........................................... 103 3.1 Kurzer historischer Abriss ......................................... 103 3.2 Wesen der Carbonatisierung ....................................... 103 3.3 Phasen der Carbonatisierung ....................................... 105 3.4 Auswirkungen der Carbonatisierung ................................ 108 3.4.1 pH-Wert .................................................. 109 3.4.2 Korrosion der Bewehrung ................................... 112 3.5 Methoden zur Bestimmung der Carbonatisierungstiefe ................ 117 3.6 Berechnung des Carbonatisierungsfortschritts ........................ 119 3.7 Carbonatisierungsschwinden ....................................... 124 3.8 Einflussfaktoren auf die Carbonatisierung ............................ 125 3.8.1 CO -Konzentration ........................................ 125 2 3.8.2 Feuchtigkeit ............................................... 126 3.8.3 w/z-Wert ................................................. 127 3.8.4 Zementart ................................................. 129 3.8.5 Nachbehandlung ........................................... 130 3.8.6 Gesteinskörnungen, Zusatzmittel, Zusatzstoffe ................. 136 3.8.7 Temperatur und thermodynamische Aspekte .................. 137 3.9 Schutz- und Instandsetzungsmaßnahmen gegen stahlbetongefährdende Carbonatisierung ............................ 144 3.9.1 Schutzmaßnahmen ......................................... 144 3.9.2 Instandsetzungsmaßnahmen ................................ 146 3.9.3 Beurteilung der Wirksamkeit carbonatisierungsbremsender Beschichtungen ............................................ 151 3.10 Selbstheilung von Rissen ........................................... 154 3.10.1 Natürliche Selbstheilung .................................... 154 3.10.2 Mikrobiologische Selbstheilung .............................. 157 Literatur .............................................................. 158 4 Sulfatangriff .......................................................... 161 4.1 Kurzer historischer Abriss ......................................... 161 4.2 Schädigungsmechanismus ......................................... 162 Inhaltsverzeichnis IX 4.3 Mikrostrukturelle Veränderungen im Zementsteingefüge bei Sulfatangriff .................................................. 163 4.4 Physikalischer Widerstand von Beton gegen das Eindringen sulfathaltiger Wässer .............................................. 165 4.5 Chemischer Angriff durch Sulfate ................................... 166 4.5.1 Ettringitbildung ............................................ 166 4.5.2 Gipsbildung ............................................... 171 4.5.3 Thaumasitbildung .......................................... 172 4.5.4 Einfluss des Kations auf den Schädigungsverlauf ............... 180 4.6 Sulfatschäden .................................................... 182 4.6.1 Schäden an Betonkonstruktionen infolge Sulfatangriff durch Oxidation von Sulfiden ................................ 182 4.6.2 Mauerwerksschäden durch Zementinjektion in sulfathaltiges Mauerwerk ................................................ 186 4.6.3 Bodenhebungen nach Bodenverbesserung mit Kalk-Zement-Bindemittel ................................... 189 4.7 Normative Regelungen ............................................ 190 4.7.1 Expositionsklassen ......................................... 190 4.7.2 Geeignete Zementarten ..................................... 190 4.7.3 Mineralische Zusatzstoffe zur Verbesserung des Sulfatwiderstands .......................................... 191 4.8 Prüfverfahren .................................................... 193 4.8.1 Prüfverfahren für äußeren Angriff ............................ 194 4.8.2 Prüfverfahren für inneren Angriff ............................ 197 4.8.3 Prüfverfahren in den USA ................................... 198 4.8.4 Nachbildung des unter Feldbedingungen ablaufenden Schädigungsablaufs bei Laborbedingungen .................... 199 Literatur .............................................................. 204 5 Schädigende Ettringitbildung im erhärteten Beton ....................... 209 5.1 Kurzer historischer Abriss ......................................... 209 5.2 Grundlagen ...................................................... 210 5.3 Ettringit im erhärteten Beton ....................................... 212 5.4 Schädigende Ettringitbildung infolge unsachgemäßer Wärmebehandlung ............................................... 214 5.4.1 Thermodynamische Berechnungen zur Ettringitbildung ......... 215 5.4.2 Sulfatbindung in Abhängigkeit von der Erhärtungstemperatur ... 220 5.4.3 Einfluss der Betonzusammensetzung auf die späte Ettringitbildung ............................................ 224 5.4.4 Laborversuche zur Dauerhaftigkeit wärmebehandelter Betone .................................................... 226 5.4.5 Vorbeugende Maßnahmen .................................. 229 X Inhaltsverzeichnis 5.5 Späte Ettringitbildung in nicht wärmebehandelten Betonen ............ 230 5.5.1 Innere Sulfatquellen und späte Sulfatfreisetzung ................ 232 5.5.2 Wechselnde Feuchtebeanspruchung und schadensfördernde Randbedingungen .......................................... 233 5.6 Nachweis von Betonschäden ....................................... 238 5.6.1 Makroskopisches Schadensbild .............................. 238 5.6.2 Kennwerte zur Schadenserfassung ............................ 238 5.6.3 Nachweis der Schadensbeteiligung von Ettringit ................ 242 Literatur .............................................................. 249 6 Säureangriff auf Beton ................................................ 253 6.1 Kurzer historischer Abriss ......................................... 253 6.2 Mechanismus des Säureangriffs ..................................... 254 6.2.1 Angriff durch kalkaggressive Kohlensäure ..................... 254 6.2.2 Biogene Säurebildung ....................................... 255 6.2.3 Kombinierter Säure-Sulfat-Angriff ........................... 257 6.2.4 Säureangriff an Kühltürmen und Wasserbauten ................ 257 6.3 Schutzmaßnahmen gegenüber Säureangriff .......................... 257 6.3.1 Grundsätzliche Regelungen .................................. 257 6.3.2 Säurewiderstandsfähiger Beton .............................. 259 6.4 Prüfung von Beton mit hohem Säurewiderstand ...................... 260 Literatur .............................................................. 260 7 Einwirkung von Chloriden auf Beton ................................... 263 7.1 Kurzer historischer Abriss ......................................... 263 7.2 Chloride im Beton ................................................ 263 7.2.1 Betonausgangsstoffe ........................................ 264 7.2.2 Einwirkung von Meerwasser ................................. 264 7.2.3 Einwirkung von Tausalzen .................................. 266 7.2.4 Brandfall .................................................. 267 7.3 Mechanismus des Eindringens von Chloriden ........................ 267 7.4 Verteilung von Chloriden im Beton ................................. 269 7.5 Beeinflussung der Transportvorgänge von Chloriden im Beton ......... 270 7.6 In welcher Form liegen Chloride im Beton vor? ....................... 273 7.7 Chlorideinbindung durch Bindemittel ............................... 274 7.8 Kritischer korrosionsauslösender Grenzwert ......................... 275 7.9 Bestimmung des Chloridgehalts .................................... 280 7.9.1 Quantitative chemische Analyse .............................. 280 7.9.2 Bestimmung (Nachweis) freier Chloridionen .................. 281 7.9.3 Nachweis der fest gebundenen Chloridionen ................... 283 7.9.4 Probeentnahmestellen ...................................... 283 7.9.5 Widerstand des Betons gegen Chlorideindringen ............... 283