Artikel veröffentlicht in Ausgabe 105 von Béton[s] Zeitschrift.

I – Was versteht man unter „Angriff auf Betonbauwerke durch Frost-Tau-Einwirkung“?

Nach einem strengen Winter sind die Kosten für die Instandhaltung und Reparatur von Betonkonstruktionen ein gefürchtetes Budget und für öffentliche Akteure schwer vorherzusagen. Die Infrastruktur – insbesondere Straßen, Brücken und Dämme – in kalten Ländern ist im Winter von Frost betroffen. Zusätzlich wird Salz verwendet, um die Oberfläche zu verdünnen. Unter diesen Bedingungen ist ein Abblättern der Oberfläche der Betonkonstruktion möglich. Sowie Risse in Materialien, die durch Frost-Tau-Zyklen verursacht werden. Dies führt zu einem Verlust der strukturellen Belastbarkeit. Es gibt viele Modelle, die die beteiligten Mechanismen und die daraus resultierenden materiellen Schäden beschreiben. Keiner von ihnen erklärt dieses Problem vollständig, da verschiedene thermo-hydromechanische und chemische Phänomene einbezogen werden.

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In der Porosität poröser Materialien, die Gefrier-Tau-Wechsel ausgesetzt sind, entstehen verschiedene Arten von Spannungen. Damit einher geht der Austritt von flüssigem Wasser in das poröse System und ein Salzkonzentrationsgefälle. Ebenso wie die Abstoßungskraft zwischen den wachsenden Eiskristallen und den Porenwänden. Darüber hinaus führt die Bildung von Eis auf der Betonoberfläche zur Entstehung von Spannungen. Letzteres hängt mit Unterschieden in den Wärmeausdehnungskoeffizienten zusammen. Die Amplitude hängt von der Salzkonzentration in der Lösung ab.

II – Was ist das Hauptziel der Arbeit und die Art des experimentellen Programms?

Diese Multikriterienstudie wurde im Anschluss an eine vergleichende Analyse auf europäischer Ebene hinsichtlich der Zuverlässigkeit von Haltbarkeitstests von Beton durchgeführt, der Frost-Tau-Zyklen in Gegenwart von Tausalzen ausgesetzt ist.

Ein großer Teil der Forschung widmet sich dabei der kritischen Analyse der Randbedingungen der Betonexposition. Diese Analyse besteht aus drei Teilen:

• Überprüfen Sie die Wiederholbarkeit von Temperatur-, Verformungs- und Abplatzratenmessungen durch Anwendung normativer Protokolle (Plattentestmethode). Diese Referenzkampagne besteht aus der Durchführung von Chipping-Tests im Labor unter Anwendung des Zyklus „+ 20 °C/- 20 °C“.

• Analyse der Klimavariabilität in verschiedenen Regionen der Welt, klassifiziert als starker oder mäßiger Frost. Sowie ursprüngliche experimentelle Studien am Standort Mont Aigoual, südlich des Zentralmassivs, an der Grenze zwischen Gard und Lozère.

Ziel der Kampagne ist es, die Reaktion von Beton auf reale Klimabedingungen zu charakterisieren.

• Aufgrund der Komplexität der Parameter, die bei Frost-Tau-Phänomenen eine Rolle spielen, bietet die Entwicklung digitaler Werkzeuge die beste Möglichkeit, die Komplexität von Materialien darzustellen und lokale Phänomene im kleinen Maßstab so genau wie möglich zu untersuchen. Aus diesem Grund wurde auch die digitale Modellierung der Verformung von Beton bei Frost-Tau-Wechseln während der Prüfung mithilfe eines digitalen Modells auf Basis eines mikromechanischen Ansatzes durchgeführt.

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Dieses Modell integriert die Auswirkungen des entwickelten Drucks auf die Porosität auf mikroskopischer Ebene. Und unter Berücksichtigung verschiedener Parameter, die die Zersetzung von Beton beeinflussen, der dem Gefrieren in Gegenwart von Tausalzen ausgesetzt ist. Nämlich die Mindesttemperatur, der Wassersättigungsgrad und die Salzkonzentration.

III – Was sind die wichtigsten Ergebnisse?

Messungen der Temperatur der Sole über den im Labor getesteten Proben zeigten, dass nicht an allen Positionen innerhalb der Klimakammer der gleiche Zyklus erreicht wurde. Und das, obwohl die Temperaturmessungen den Empfehlungen des Slab Tests entsprechen.

Die technisch-wissenschaftliche Relevanz dieses Zyklus ist fraglich.

Die Anwendung des entwickelten Multiskalenansatzes zeigt, dass der Verformungsgrad der getesteten Proben innerhalb der Umhüllung verteilt ist. Und abhängig von den Zyklusparametern, denen sie ausgesetzt sind, von ihrer Position innerhalb des Gehäuses.

Diese Modellierungsarbeit ermöglicht es, die Folgen der Heterogenität der thermischen Bedingungen während des aktuellen Abplatzungstests und die daraus resultierende Streuung der Degradationsergebnisse hervorzuheben. Ein Aspekt, der in der bisherigen Forschung vernachlässigt wurde. Es handelt sich jedoch um einen wichtigen Parameter, um die Zuverlässigkeit konkreter Leistungsbewertungstests zu gewährleisten.

Darüber hinaus verdeutlichen Kampagnen zur Klimavariabilitätsanalyse die mangelnde Repräsentativität thermischer Zyklen. Der Zyklus wird im Rahmen aktueller normativer Tests angewendet, die die Beständigkeit von Beton gegen Abplatzungen im Verhältnis zu realen klimatischen Frost-Tau-Bedingungen charakterisieren. Es wurde festgestellt, dass die Gesamtamplitude des thermischen Zyklus nie 40 °C betrug, sondern eher 15 °C bis 20 °C. Nach Angaben offizieller Wetterseiten scheint dieser Bereich repräsentativ für die nordischen Länder zu sein. Somit ergibt sich aus der Amplitude ein Frost-Tau-Zyklus von „+ 5 °C/- 10 °C oder – 15 °C“ für das Gebirgsklima West- und Nordeuropas. Und „- 10 °C/- 25 °C“ für sehr raue Umgebungen in kontinentalen Klimazonen, in denen die Gefrierphase noch andauert.

IV – Was bringt diese These Neues? Welche Punkte können sofort genutzt werden?

Der Zyklus „+ 20 °C/- 20 °C“ stellt bei weitem nicht die tatsächlichen Gefrier-/Taubedingungen dar, denen Beton selbst unter schwierigen klimatischen Bedingungen ausgesetzt sein kann. Anschließend erfolgt eine kritische Analyse. Der wichtige Beitrag dieser Forschung liegt in den vorgeschlagenen relevanten Zyklen, die auf der Grundlage beobachteter klimatischer Frost-/Tauwetterbedingungen in Ländern mit gemäßigtem und strengem Klima vorgeschlagen werden. Aufgrund dieser Situation schlagen wir „+ 5 °C/- 15 °C“ als alternativen Zyklus vor, der durch eine Gesamtamplitude von 20 °C anstelle der üblichen 40 °C gekennzeichnet ist. Und die Gefriergeschwindigkeit überschreitet nicht 2°C/Stunde…

Diese Zyklusparameter gewährleisten einen optimalen Betrieb der Klimakammer. Dadurch entsteht an verschiedenen Stellen eine homogene Temperaturverteilung, anders als beim Zyklus „+ 20 °C/- 20 °C“.

Dies wurde im Rahmen eines französisch-schweizerischen Vergleichstests in mehreren Klimakammern unterschiedlicher Stärke und Ausführung nachgewiesen. Die Streuung zwischen den Laboren wird verringert, wenn der Test bei „+ 5 °C/- 15 °C“ durchgeführt wird, was ein wichtiges Ergebnis ist.

Es sollten größere Ringversuche durchgeführt werden, an denen mindestens acht Labore beteiligt sind. Es ist durchaus möglich, normative Tests zur Bewertung der Abplatzbeständigkeit von Beton zu entwickeln, die aufgrund ihrer derzeitigen mangelnden Zuverlässigkeit nicht als Leistungstests, sondern als Screening-Tests angesehen werden können.

Sara Al Haj Sleiman, Ingenieurin – Doktorin des Bauingenieurwesens an der Ecole centrale de Nantes

¹Die Dissertation von Sara Al Haj Sleiman mit dem Titel „Auf dem Weg zur Entwicklung von Qualifizierungsprotokollen für Beton, der in Gegenwart von Tausalzen dem Einfrieren und Auftauen ausgesetzt ist: Beitrag der gemeinsamen mehrskaligen Modellierung zur Analyse der Klimavariabilität“ wurde im Rahmen der Industriekonvention für durchgeführt Ausbildung durch Forschung (Cifre). Dies geschah in Zusammenarbeit mit dem französischen Verband der Zementindustrie (Sfic) und der Ecole Centrale de Nantes (GeM-Labor). Diese Arbeit wurde im Juli 2021 mit dem RSE-Preis der französischen Stiftung Betonschule ausgezeichnet. Und mit dem ersten Platz im Wettbewerb Trophées Theses 2022 der Stiftung Excellence SMA, der im Oktober 2022 auf der Batimat-Ausstellung verliehen wurde.

Artikel veröffentlicht in Ausgabe 105 von Béton[s] Zeitschrift.

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