Fakultät Bauingenieurwesen, Institut für Baustoffe, Prof. Dr.-Ing. Viktor Mechtcherine Modul 4-21, WS Bauen im Bestand – Instandsetzungsmethoden und -baustoffe Teil 2: Untersuchung von Beton und Stahlbeton Viktor Mechtcherine Institut für Baustoffe Anforderungen an ein Instandsetzungskonzept Tragfähigkeit, Standsicherheit Architektur, Denkmalpflege Dauerhaftigkeit Schneller Arbeitsablauf Arbeiten „unter Betrieb“ Instandsetzungskonzept Ökologie örtliche Bedingungen Wirtschaftlichkeit TU Dresden, Institut für Baustoffe, Prof. Mechtcherine – Bauen im Bestand -2- Vorgehensweise bei Instandsetzung • Sichtung des vorhandenen Datenmaterials • Festlegung der erreichbaren Beanspruchbarkeit • Festlegung der erforderlichen Restnutzungsdauer Soll-Zustand • Aus- und Fortbildungsmaßnahmen • Erarbeitung eines Leitfadens für Ertüchtigung und Unterhaltung • Aufstellen eines Qualitätssicherungssystems Instandsetzungskonzept • Sichtung vorhandenen Datenmaterials • Bauwerksuntersuchungen - Großflächige Inaugenscheinnahme - Detailuntersuchungen von repräsentativen Schadensstellen - Probennahme und -analyse vor Ort • Materialuntersuchungen im Labor • Tragfähigkeitsnachweise (falls erforderlich) • Klassifizierung der Schäden • Erarbeitung von Prognosemodellen für den Schadensfortschritt • Abschätzung der Restnutzungsdauer • Wissenschaftliche Detailuntersuchungen Ist-Zustand TU Dresden, Institut für Baustoffe, Prof. Mechtcherine – Bauen im Bestand -3- Erkundung des Ist-Zustandes Ziele: Ursache der Schäden Instandsetzungskonzept Massen (Aufwand der Instandsetzung) Themen: Bauwerksgeschichte Materialtechnologische Untersuchungen Bauphysikalische Untersuchungen Statisch-konstruktive Untersuchungen Schadensanalyse TU Dresden, Institut für Baustoffe, Prof. Mechtcherine – Bauen im Bestand -4- Erkundung des Ist-Zustandes – Bauwerksgeschichte Baujahr Nutzung Umbauten Beanspruchungen TU Dresden, Institut für Baustoffe, Prof. Mechtcherine – Bauen im Bestand -5- Erkundung des Ist-Zustandes Materialtechnologische Untersuchungen Großflächige Inaugenscheinnahmen - Durchfeuchtungen, Ausblühungen, Bewuchs - Abwitterungen, Absprengungen - Risse - Rostfahnen, Betonabplatzungen - Schäden an Fugen, Auflagern etc. Detailuntersuchungen an der Bauteiloberfläche - Zementhaut, Feinmörtel, Rauheit, Schalungsstrukturen - Bindemittelauslösungen, Zermürbungen, Porigkeit - Oberflächenhärte, Abriebfestigkeit, Oberflächenzugfestigkeit etc. TU Dresden, Institut für Baustoffe, Prof. Mechtcherine – Bauen im Bestand -6- Erkundung des Ist-Zustandes Materialtechnologische Untersuchungen Detailuntersuchungen der Bauteilrandschicht - Karbonatisierungstiefe des Betons - Betondeckung der Bewehrung - Korrosionszustand der Bewehrung - Festigkeit - Makrogefüge, Porosität - Permeabilität - Feuchtegehalt TU Dresden, Institut für Baustoffe, Prof. Mechtcherine – Bauen im Bestand -7- Erkundung des Ist-Zustandes Materialtechnologische Untersuchungen Orten und Untersuchen von Hohlräumen, Kiesnestern, Schalenbildungen - Art, Ursache, Ausmaß Rissaufnahme - Lage, Verlauf, Breite, Tiefe, Ursache, Breitenänderung Entnahme von Proben, Laboruntersuchungen - Festigkeit, Elastizitätsmodul - Makrogefüge, Porenstruktur - Schadstoffgehalt (z.B. Chloride) - Zusammensetzung des Betons (z.B. Zementart, Mischungsverhältnis) TU Dresden, Institut für Baustoffe, Prof. Mechtcherine – Bauen im Bestand -8- Erkundung des Ist-Zustandes Bauphysikalische Untersuchungen - Bewertung von Durchfeuchtungen - Wärmebrücken, Kondensat Statisch-konstruktive Untersuchungen - Ursache von Rissen - Resttragfähigkeit - Erfordernis von Verstärkungsmaßnahmen - Standsicherheitsnachweis - Belastungsversuche mit Verformungsmessungen Schwingungsanalysen Spannungsanalysen Statische Nachweise TU Dresden, Institut für Baustoffe, Prof. Mechtcherine – Bauen im Bestand -9- Erkundung des Ist-Zustandes Kartierung der Feststellungen Darstellung der Ergebnisse Überprüfung von Abhängigkeiten (z.B. Schadensbild von Betondeckung, Bewitterung, Regenwasserabführung, Innenraumnutzung, Decken- und Wandanordnung) Daraus: Schadensanalyse Daraus: Prognose des Korrosionsfortschritts bzw. der Schadensentwicklung TU Dresden, Institut für Baustoffe, Prof. Mechtcherine – Bauen im Bestand - 10 - Erkundung des Ist-Zustandes / Zusammenfassung • • • • • • • • • • • • Visuelle Schadensaufnahme und –dokumentation Erfassung des Erscheinungsbildes der Betonoberfläche Lokalisierung von Hohllagen und Fehlstellen Messung der Karbonatisierungstiefe Ermittlung der Schadstoffbelastung, z.B. Chloride Messung der Betondeckung der Bewehrung Ermittlung der Stabdurchmesser der Bewehrung Überprüfung von Art und Umfang der Bewehrungskorrosion Beurteilung des Gefüges der Betondeckungsschicht Chemische / physikalische / mineralogische Analysen Prüfung der Festigkeits- und Verformungseigenschaften statisch-konstruktive Analysen, Standsicherheitsnachweise TU Dresden, Institut für Baustoffe, Prof. Mechtcherine – Bauen im Bestand - 11 - Schadensaufnahme – Fassadenfläche TU Dresden, Institut für Baustoffe, Prof. Mechtcherine – Bauen im Bestand - 12 - Zustandsanalyse Mechanische Eigenschaften • Druckfestigkeit • Oberflächenzugfestigkeit • Verschleißfestigkeit Rückprall-Prüfung Haftzugprüfung Bohrkernentnahme TU Dresden, Institut für Baustoffe, Prof. Mechtcherine – Bauen im Bestand - 13 - Zustandsanalyse Strukturelle Eigenschaften • Kiesnester, Hohlstellen • Abplatzungen • Gefügeschäden durch lösenden und treibenden Angriff • Betondeckung • Art und Lage der Bewehrung • Gefügeschäden durch Bewehrungskorrosion • Frostschäden • Oberflächenrauheit Hohlstelle unter Bewehrungsstahl Bewehrungskorrosion Abplatzungen Frostabwitterung TU Dresden, Institut für Baustoffe, Prof. Mechtcherine – Bauen im Bestand - 14 - Zustandsanalyse Risse • statische / sich bewegende Risse • trockene / wasserführende Risse • Biegerisse / Trennrisse • Rissverlauf, Rissbreiten, Risstiefe Oberflächenriss in Platte Risse an geometrischer Diskontinuität und in einer Arbeitsfuge TU Dresden, Institut für Baustoffe, Prof. Mechtcherine – Bauen im Bestand Zwangspannungsriss - 15 - Zustandsanalyse Chemische Eigenschaften • Ausblühungen • Karbonatisierungstiefe / pH-Wert • Chloridverteilung • Sulfatverteilung • Verunreinigung durch Öle, Fette etc. AKR-Gel an Kornoberfläche Depassivierte Bewehrung Ausblühungen an Oberflächen Karbonatierter Beton TU Dresden, Institut für Baustoffe, Prof. Mechtcherine – Bauen im Bestand - 16 - Zustandsanalyse Eigenschaften des Porengefüges • Porosität und Porenradienverteilung • Wassergehalt • Wasseraufnahme • Benetzbarkeit von Oberflächen Kugelpore im Beton (750-fach) Hydrophobierte Betonoberfläche Wasseraufnahme der Betonoberfläche Makroporöse Betonoberfläche TU Dresden, Institut für Baustoffe, Prof. Mechtcherine – Bauen im Bestand - 17 - Mechanische Eigenschaften Betonqualität Bei der Untersuchung ist grundsätzlich zu unterscheiden nach: Eigenschaften der Betonrandzone Dauerhaftigkeit Widerstandsfähigkeit gegenüber äußeren Einwirkungen Festigkeitseigenschaften des Kernbetons Tragvermögen des Bauteils Karbonatisierte Randzonen verschiedener Dicke TU Dresden, Institut für Baustoffe, Prof. Mechtcherine – Bauen im Bestand - 18 - Mechanische Eigenschaften Betonfestigkeit – Zerstörende Prüfung Entnahme von Bohrkernen (DIN EN 12540-1: 2000) • Schädigung des Bauwerkes • daher i.d.R. begrenzter Probenumfang Empfehlungen (DIN 1048-2:1991(alt)) • Bohrkerndurchmesser : Größtkorn = 3 : 1 • Mindestdurchmesser 100 mm (hochbelastete Bereiche, dichte Bewehrung: 50 mm) • i.d.R. 3 Kerne je Prüfbereich (Statistik) • Anschnitt von Bewehrungsstahl vermeiden • kein Anschnitt von Spannstahl! • Kerne mit Stahl in Längsrichtung nicht verwendbar! Bohrkernentnahme Bohrkrone und Bohrkern TU Dresden, Institut für Baustoffe, Prof. Mechtcherine – Bauen im Bestand - 19 - Mechanische Eigenschaften Betonfestigkeit – Zerstörende Prüfung Bohrkerne; Schlankheit L:D • Vergleich mit Zylinderdruckfestigkeit fc,cyl: L/D = 2/1 • Vergleich mit Würfeldruckfestigkeit fc,cube: L/D = 1/1 Festigkeitsprüfung (DIN EN 12390-3:2002) Bohrkern • Stirnenden planparallel schleifen (oder: Abgleich mit Mörtel) • Prüfung im trockenen Zustand • Auswertung der Ergebnisse und Umwertung in Bemessungsfestigkeit (DIN EN 13791:2003 (Entwurf)) Kern (D=50; L/D=1/1): fc,cube(150) = 0,9 fc,cyl(Kern) Kern (D=100; L/D =1/1) ): fc,cube(150) = fc,cyl(Kern) Kern (D=100…150; L/D=2/1): fc,cyl(150/300) = fc,cyl(Kern) • ACHTUNG: bei Prüfung nach alter Norm (DIN 1048-2:1991) keine statischen Nachweise neuer Norm (DIN 1045:2001) zulässig! „Mischungsverbot“ Druckversuch am Bohrkern TU Dresden, Institut für Baustoffe, Prof. Mechtcherine – Bauen im Bestand - 20 - Mechanische Eigenschaften Charakteristische Betonfestigkeit des Bohrkerns Ansatz A: 14 < Anzahl Bohrkerne • Mittelwert fc,m und Standardabweichung s der Festigkeit bestimmen • maßgebend für fc,k ist der kleinere Wert von: fc,k = fc,m – 1,48 s (s > 2 MPa!) fc,k = fc,min + 4 (fc,min: kleinster Wert der Stichprobe) Ansatz B: 3 ≤ Anzahl Bohrkerne ≤ 14 • Mittelwert fc,m der Festigkeit bestimmen • maßgebend für fc,k ist der kleinere Wert von: fc,k = fc,m – k (k siehe Tabelle) (fc,min: kleinster Wert der Stichprobe) fc,k = fc,min + 4 Anzahl Kerne k [MPa] 3 bis 6 7 7 bis 9 6 10 bis 14 5 ACHTUNG: Bei Einstufung in Festigkeitsklassen (DIN EN 206-1) Abminderungsfaktor beachten! fc,k(Bauwerksbeton) = 0,85 fc,k (Bohrkern) • Faktor 0,85 ist im Teilsicherheitsbeiwert c enthalten; (Dauerstandfestigkeit & Querdehnungsbehinderung) TU Dresden, Institut für Baustoffe, Prof. Mechtcherine – Bauen im Bestand - 21 - Mechanische Eigenschaften Betonfestigkeit – Zerstörungsfreie Prüfung Rückprallhammer • dynamisches Prüfverfahren • Hypothese: Rückprall ~ Festigkeit Randbedingungen (DIN EN 12504-2:2001) • Mindestdicke Bauteil: 100 mm (Bauteilmasse, -schwingung) • Prüffläche ≥ 300 mm2 x 300 mm2 • ≥ 9 Schläge je Prüffläche • Oberfläche glatt, tragfähig; keine Makroporen/Lunkern • Vor und nach der Prüfung: Kalibrierung auf Stahlamboss Schmidt-Hammer, Modell P Schlagenergie: 0,883 Nm Schmidt-Hammer, Modell NR Schlagenergie: 2,207 Nm ACHTUNG: Schockwelle durchläuft Betonoberfläche! Einfluss von: • unregelmässiger Herstellung/Verdichtung • Karbonatisierung • Feuchte • physikalischer/chemischer Schädigung Kalibrieramboss und Hammer TU Dresden, Institut für Baustoffe, Prof. Mechtcherine – Bauen im Bestand - 22 - Mechanische Eigenschaften Betonfestigkeit – Zerstörungsfreie Prüfung Rückprallhammer – Bewertung der Ergebnisse (DIN EN 13791:2006) Verfahren A: Direkter Rückschluss auf Festigkeit (?) • Tabelle in Norm: Rückprall Druckfestigkeit Verfahren B: Korrelationsverfahren (!) • Messung Rückprall und Festigkeit Bohrkern an ausgewählten Stellen • Formulierung von Bezugskurven: Festigkeit = f(Rückprall) a) ≥ 18 Wertpaare: Ausgleichskurve aus Regressionsanalyse b) ≥ 9 Wertpaare: standardisierte Bezugskurven (DIN EN 13791:2006); Verschiebung der Bezugskurven: f = f,m – k1 s mit: f = Verschiebung der Bezugskurve [MPa] f,m = Mittelwert der Abweichungen [MPa] s = Standardabweichung der Abweichungen k1 = f(Anzahl Wertepaare) = 1,67…1,48 TU Dresden, Institut für Baustoffe, Prof. Mechtcherine – Bauen im Bestand - 23 - Mechanische Eigenschaften Betonfestigkeit – Zerstörungsfreie Prüfung Rückprallhammer – Beispiel • Messung Rückprall und Zylinderdruckfestigkeit an 2 Bauteilen aus einem Beton TU Dresden, Institut für Baustoffe, Prof. Mechtcherine – Bauen im Bestand - 24 - Mechanische Eigenschaften Betonfestigkeit – Zerstörungsfreie Prüfung Ultraschall-Geschwindigkeit • Einkopplung gepulster Ultraschallwellen • Messung der Laufzeit von Sender zu Empfänger Berechnung der Schallgeschwindigkeit im Beton • Tatsache: Schallgeschwindigkeit ~ Dichte • Hypothese: Schallgeschwindigkeit ~ Festigkeit Ultraschall-Messgerät ACHTUNG: Schallwelle durchläuft Betonoberfläche! Einfluss von: • Ankopplung der Sensoren • unregelmässiger Herstellung/Verdichtung • Karbonatisierung, Feuchte • Rissen, Poren • physikalischer/chemischer Schädigung Durchschallung einer Laborprobe TU Dresden, Institut für Baustoffe, Prof. Mechtcherine – Bauen im Bestand - 25 - Mechanische Eigenschaften Betonfestigkeit – Zerstörungsfreie Prüfung Ultraschallgeschwindigkeit – Bewertung der Ergebnisse (DIN EN 13791:2006) Verfahren: Korrelationsverfahren • Messung Ultraschallgeschwindigkeit und Festigkeit Bohrkern an ausgewählten Stellen • Formulierung von Bezugskurven: Festigkeit = f(Ultraschallgeschwindigkeit) a) ≥ 18 Wertpaare: Ausgleichskurve aus Regressionsanalyse b) ≥ 9 Wertpaare: standardisierte Bezugskurven (DIN EN 13791:2006); Verschiebung der Bezugskurven (analog Rückprall): f = f,m – k1 s mit: f = Verschiebung der Bezugskurve [MPa] f,m = Mittelwert der Abweichungen [MPa] s = Standardabweichung der Abweichungen k1 = f(Anzahl Wertepaare) = 1,67…1,48 TU Dresden, Institut für Baustoffe, Prof. Mechtcherine – Bauen im Bestand - 26 - Mechanische Eigenschaften Betonfestigkeit – Zerstörungsfreie Prüfung Impact-Echo-Verfahren • Aufprallende Kugel erzeugt Schockwelle • 2 Empfänger: Messung der Wellenlaufzeit Berechnung der Wellengeschwindigkeit im Beton (analog Ultraschall) • 1 Empfänger: Messung der Vielfach-Reflexionen FFT: Frequenzspektrum Rückschluss auf Wellengeschwindigkeit • Hypothese: Wellengeschwindigkeit ~ Festigkeit • Auswertung Wellengeschwindigkeit: analog Ultraschall Schockwellen-Ausbreitung Spektrum nach FFT TU Dresden, Institut für Baustoffe, Prof. Mechtcherine – Bauen im Bestand Impact-Echo-Messystem Impact-Echo-Messung - 27 - Mechanische Eigenschaften Charakteristische Betonfestigkeit aus zerstörungsfreier Messung bei Anwendung von Bezugskurven • mindestens 15 zerstörungsfrei bestimmte Festigkeiten nötig • Mittelwert fc,m und Standardabweichung s der Festigkeit bestimmen • maßgebend für fc,k ist der kleinere Wert von: fc,k = fc,m – 1,48 s (s > 3 MPa!) fc,k = fc,min + 4 (fc,min: kleinster Wert der Stichprobe) ACHTUNG: Bei Einstufung in Festigkeitsklassen (DIN EN 206-1) Abminderungsfaktor beachten! fc,k(Bauwerksbeton) = 0,85 fc,k (Bohrkern) • Faktor 0,85 ist im Teilsicherheitsbeiwert c enthalten; (Dauerstandfestigkeit & Querdehnungsbehinderung) TU Dresden, Institut für Baustoffe, Prof. Mechtcherine – Bauen im Bestand - 28 - Mechanische Eigenschaften Zugfestigkeit von Betonoberfächen Oberfächenzugfestigkeit (Rili SIB, DIN 1048-2:1991) • Bohren einer 10 mm tiefen Ringnut (i.d.R. Ø 50 mm) • zylindrischen Haftzugstempel (i.d.R. Ø 50 mm) aufkleben • Stempel abziehen mit 100 N/s bis Kohäsionsbruch • Oberflächenzugfestigkeit = Fmax/Bruchfläche Prüfumfang (Rili SIB, ZTV-ING) • > 50 m² oder je angefangene 250 m² 3 Einzelprüfungen (Rili SIB) • je angefangene 500 m² (250 m² bei gestemmter OF) 6 Einzelprüfungen (ZTV-ING) Stempel mit abgezogenem Zylinder Haftzugprüfgerät Stempel an Probe mit Ringnut TU Dresden, Institut für Baustoffe, Prof. Mechtcherine – Bauen im Bestand - 29 - Strukturelle Eigenschaften Detektion von Gefügestörungen und Hohlstellen Zerstörende Verfahren • Sondierungsbohrungen Zerstörungfreie Verfahren • Perkussion (Abklopfen) • Ultraschall • Ultraschall-Echo • Impact-Echo • Geo-Radar • Thermographie TU Dresden, Institut für Baustoffe, Prof. Mechtcherine – Bauen im Bestand - 30 - Strukturelle Eigenschaften Dedektion von Gefügestörungen und Hohlstellen Geo-Radar • Aussendung gepulster Radarwellen (15 MHz – 1 GHz) • Reflektion der Radarwellen an Grenzflächen • Messung von Laufzeit und Dämpfung • typische Eindringtiefe 1-10 m (abhängig von Material, Feuchte, Frequenz, …) • 3-dimensionale Erkundung möglich! • Betonstahl schirmt Wellen ab (Messung hinter Stahl ab Stababstand 150 mm möglich) 2D-Radargramm Georadarmessung an Tunnelschale TU Dresden, Institut für Baustoffe, Prof. Mechtcherine – Bauen im Bestand - 31 - Strukturelle Eigenschaften Dedektion von Gefügestörungen und Hohlstellen Aktive Infrarot-Thermographie • Aussendung gepulster Infrarotwellen Aufheizung des Messobjektes • Messung des Aufheiz- und Abkühlverhaltens des Messobjektes zeitlich veränderlicher Wärmestrom je nach Materialeigenschaft bzw. Schichtung • Reflektions- oder Transmissions-Messung mögl. Reflexionsmessung zu 3 Zeitpunkten IR-Kamera TU Dresden, Institut für Baustoffe, Prof. Mechtcherine – Bauen im Bestand - 32 - Betondeckung, Art und Lage der Bewehrung Zerstörungsfreie induktive Messverfahren Wechselfeld-Verfahren: • magnetische Kopplung von Erreger und Empfängerspule durch Ferromagnetika • Induzierte Spannung in Empfängerspule abhängig von - Abstand, - Geometrie - elektromagnetischen Eigenschaften der Stahlbewehrung • nicht magnetisierbarer (Edel)stahl wird nicht erfasst Wirbelstrom-Verfahren: • Beeinflussung der Impedanz der Erregerspule durch induzierte Wirbelstrom-Magnetfelder des Betonstahls • Impedanz der Erregerspule abhängig von - Abstand, - Geometrie - elektrischer Leitfähigkeit der Stahlbewehrung TU Dresden, Institut für Baustoffe, Prof. Mechtcherine – Bauen im Bestand - 33 - Betondeckung, Art und Lage der Bewehrung Messmethodik: Wechselfeld-Verfahren: • Kalibrierung in eisenfreier Umgebung a) bekannter Durchmesser der Bewehrung: Rückschluss auf Abstand von Betonoberfläche b) bekannter Abstand von der Betonoberfläche: Rückschluss auf Durchmesser der Bewehrung Wirbelstrom-Verfahren: • Kalibrierung in eisenfreier Umgebung • Abstand der Bewehrung von Betonoberfläche und Durchmesser der Bewehrung werden unabhängig voneinander ermittelt. Wirbelstrom-MG „Profometer“ Bewehrungsortung an einer Wand und einer Brückenplatte TU Dresden, Institut für Baustoffe, Prof. Mechtcherine – Bauen im Bestand - 34 - Betondeckung, Art und Lage der Bewehrung Messmethodik Nachweis der Betondeckung (DBV 2002) • quantitativer Nachweis auf Basis des 5%-Quantil hinreichende Anzahl repräsentativer Messstellen gleichmäßige Verteilung auf Messfläche Lage und Durchmesser der Bewehrung • Sorgfalt bei mehrlagiger Bewehrung • bei ungenauen bzw. unzuverlässigen Ergebnissen der zerstörungsfreien Prüfung: Freilegen der Bewehrung Zur Ortung freigelegte Bewehrung Linienscan über Bewehrung Flächenscan über Bewehrung mit anschließender Bildverarbeitung TU Dresden, Institut für Baustoffe, Prof. Mechtcherine – Bauen im Bestand - 35 - Physikalische Eigenschaften Betonfeuchte Feuchtedefinition und Folientest nach Rili SIB (Rili SIB) • trocken: - keine Aufhellung frischer Bruchflächen durch Trocknung - bei dampfdichter Abdeckung mit Folie keine Kondensatbildung an der Folie (über Nacht!) und keine Dunkelfärbung des Betons • feucht: - mattfeuchte Oberfläche - kein glänzender Wasserfilm - keine wassergesättigten Poren Wassertropfen werden eingesogen nach Einsaugen muss die Oberfläche wieder matt erscheinen • nass: - glänzende Betonoberfläche - Porensystem wassergesättigt Messprinzipen und -Verfahren Vorlesung „Temperatur-, Feuchte- und Massentransport“ TU Dresden, Institut für Baustoffe, Prof. Mechtcherine – Bauen im Bestand - 36 - Chemische Eigenschaften Karbonatisierungstiefe (pH-Wert) Phenolphtalein-Test (DIN EN 14630:2007) • Erzeugen frischer Bruchflächen • dünn mit Phenolphtalein besprühen Farbumschlag • pH < 10: farblos ; pH > 10: magenta Vermeiden ! • Messung im Bohrloch und am Sägeschnitt: ungenau durch Versatz von Bohrmehl etc. Messung am Bruchstück Messung im Bohrloch Messung an frischen Bruchflächen TU Dresden, Institut für Baustoffe, Prof. Mechtcherine – Bauen im Bestand - 37 - Chemische Eigenschaften Karbonatisierungwiderstand Schnellkarbonatisierungs-Versuch • Feststellung des Ausgangszustandes Phenolphtalin-Test • Lagerung bei erhöhter CO2-Konzentration (< 2,5%, sonst atypische Karbonatphasen) Beschleunigte Karbonatisierung • Zu definierten Zeitpunkten Feststellung des Karbonatiesierungszustandes Phenolphtalin-Test • Quantitativer Vergleich: Referenzmethode ACC (ACC: ACcelerated Carbonation, [Gehlen 2000]) Definierte Prüfkörper und –bedingungen für Referenzbeton und zu untersuchenden Beton Berechnung eines Zahlenwertes für den Karbonatisierungswiderstand Betonalter 35d; 7d bei 2,5% CO2 Betonalter 56d, 28d bei 2,5% CO2 Betonalter 84d, 56d bei 2,5% CO2 TU Dresden, Institut für Baustoffe, Prof. Mechtcherine – Bauen im Bestand - 38 - Chemische Eigenschaften Chloridbelastung - qualitativ Silbernitrat-Test an Betonbruchflächen • Bruchflächen mit Silbernitrat besprühen Farbumschlag • farblos (kein Chlorid); weiß (Chlorid vorhanden) • ungeeignete Methode (Farbumschlag in situ schwer zu erkennen) • keine Aussage zur Korrosionsgefahr für Stahl! Indikation von Chlorid mit Silbernitrat an zwei Betonen (Baroghel-Bouny et al. 2007) TU Dresden, Institut für Baustoffe, Prof. Mechtcherine – Bauen im Bestand Indikation von Chlorid an bindemittelreichem Mörtel (Altmann 2008) - 39 - Chemische Eigenschaften Chloridinduzierte Stahlkorrosion – qualitatives Screening Potentialmessungen (ASTM C 876-91, RILEM TC 154 2003) • Messung der elektrischen Spannung zwischen Bewehrung und einer beweglichen Referenzelektrode Kontaktieren der Bewehrung • Messung an verschiedenen Elektrodenstandorten • Potential sinkt mit a) steigendem Chloridgehalt b) beginn der Stahlkorrosion c) steigender Betonfeuchte Potentialfeldmessung TU Dresden, Institut für Baustoffe, Prof. Mechtcherine – Bauen im Bestand - 40 - Chemische Eigenschaften Chloridverteilung, Gesamtchloridgehalt Bohrmehl-Entnahme und qualitative bzw. quantitative Chloridanalyse (Heft 401 DAfStb, DIN EN 14629:2007, RILEM TC 178 2002) • trockene! Bohrmehlentnahme in unterschiedlichen Tiefen • Trocknung bei 105°C und Einwägung • Aufschlämmung in dest. Wasser und Säure) • Filtration Qualitative Analyse am wässrigen Filtrat: • Zugabe von Silbernitrat; wenn weiße Ausfällung quantitative Analyse nötig Quantitative Analyse am wässrigen und sauren Filtrat • z.B. Fotometrische Messung, Potentiometrische Titration, … ACHTUNG: • Gesamtchloridgehalt = wasserlösliches Cl- + säurelösliches Cl- ! • Für Stahlkorrosion: Verhältnis Gesamtchloridgehalt / Zement entscheidend! TU Dresden, Institut für Baustoffe, Prof. Mechtcherine – Bauen im Bestand - 41 - Chemische Eigenschaften Zustandsanalyse chloridgeschädigter Bauteile Empfehlung: Zweistufiges Vorgehen (Beschränkung des Untersuchungsaufwandes): 1) flächendeckende qualitative bzw. halbquantitative Voruntersuchung (Potentialmessung, Betondeckungen, Karbonatisierung) 2) punktuell quantitative Bestimmung von Chloridverteilung und -gehalt; ggf. Freilegen der Bewehrung (Bohrmehlentnahme und -analyse) Bohrmehl-Entnahme TU Dresden, Institut für Baustoffe, Prof. Mechtcherine – Bauen im Bestand Chlorid-Tiefenprofile - 42 - Eigenschaften des Porensystems Empirische und analytische Verfahren zur Charakterisierung des Porengefüges Zerstörungfreie Verfahren • Visuelle Inspektion, Zählung von Makroporen • Wasseraufnahme der Oberfläche Zerstörende Verfahren Entnahme repräsentativer Mengen Probenmaterial und Prüfung von: • Wasseraufnahme unter athmoshärischem Druck • Wasseraufnahme unter Überdruck • Wasseraufnahmekoeffizient • Wassereindringtiefe unter Druck • Quecksilberporosimetrie • Mikroskopische Porenzählung an Schliffen Prüfröhrchen nach Karstens Kugelpore im Beton (750-fach) TU Dresden, Institut für Baustoffe, Prof. Mechtcherine – Bauen im Bestand - 43 - Eigenschaften des Porensystems Wasseraufnahme Wasseraufnahme an Bauteiloberflächen mit Karsten‘schem Prüfröhrchen (nicht genormt) • Aussagen zum Kapillarporenanteil an der Oberfläche • Wasserdichtes Aufkleben des Prüfröhrchens • Einfüllen von Wasser, ggf. Nachfüllen • Messung der eindringenden Wassermenge je Zeiteinheit • Bewertung lt. Tabelle des Herstellers (Auszug): Art des Baustoffes Wasseraufnahme [ml/min] Fassadenflächen; Klinkermauerwerk Mittelwert aus 10 Prüfungen Einzelwerte nicht über 0,5 2,0 Abdichtungsbeton, hydrophobiert an Außenflächen an frischen Bruchflächen 0,1 0,1 WU-Beton, nicht hydrophobiert an Außenflächen an frischen Bruchflächen 0,3 0,5 Prüfröhrchen nach Karstens TU Dresden, Institut für Baustoffe, Prof. Mechtcherine – Bauen im Bestand - 44 - Eigenschaften des Porensystems Wasseraufnahme Wasseraufnahme unter athmoshärischem Druck (DIN EN 13755:2002) • Aussagen zum Kapillarporenanteil • Einstellen eines repräsentativen Betonvolumens in Wasser (z.B. 3 Bohrkerne mit D > 3*Größtkorn) • Wägung alle 24 h bis Massekonstanz (d.h. bis m < 0,1 M.-%) Masse bei Wassersättigung ms • Trocknung bei 105 °C bis Massekonstanz Trockenmasse md • Volumenbezogene Wasseraufnahme [Vol.-%]: Ab ms md B 100 md W TU Dresden, Institut für Baustoffe, Prof. Mechtcherine – Bauen im Bestand - 45 - Eigenschaften des Porensystems Wasseraufnahme Wasseraufnahme unter Überdruck (DIN EN 13755:2002) • Aussagen zum Gesamtporengehalt • Einstellen eines repräsentativen Betonvolumens in Wasser unter Überdruck von 150 bar (z.B. 3 Bohrkerne mit D > 3*Größtkorn) • Beaufschlagungsdauer 24 h Masse ms • Trocknung bei 105 °C bis Massekonstanz Trockenmasse md • Volumenbezogene Wasseraufnahme [Vol.-%]: AV ,D ms md B 100 md W TU Dresden, Institut für Baustoffe, Prof. Mechtcherine – Bauen im Bestand - 46 - Eigenschaften des Porensystems Wasseraufnahme Wasseraufnahmekoeffizient (DIN EN ISO 15148:2003) • Bereitstellung eines repräsentativen Probenvolumens (3 Bohrkerne) • Abdichten der Probenmantelfläche • Konditionierung und Wägung bei Raumklima Ausgangsmasse mi • Einstellen der definierten Bodenfläche A in Wasser • Wägung in definierten Zeitintervallen Masse mt nach Zeitintervall t • Wasseraufnahmekoeffizient mt: [kg m-2 s-0,5]: mt mt mi A t TU Dresden, Institut für Baustoffe, Prof. Mechtcherine – Bauen im Bestand - 47 - Eigenschaften des Porensystems Wasseraufnahme Wassereindringtiefe unter Druck (DIN EN 12390-8:2000) • WU-Prüfung von Beton (WU: Eindingtiefe < 15 mm) • Bereitstellen eines repräsentativen Betonvolumens mit ebener Oberfläche (z.B. 3 Bohrkerne mit D>100 mm) • Aufrauen der Oberfläche (Drahtbürste) • Wassersättigung der Proben 7 d • Aufspannen auf Prüfgerät (Dichtring InnenØ 75 mm) • Beaufschlagung mit Wasserdruck 5 bar für 3 Tage • Spalten der Probe • Dokumentation der Wasserlinie Prüfkörper nach Spalten skizzierte Wasserlinie TU Dresden, Institut für Baustoffe, Prof. Mechtcherine – Bauen im Bestand Prüfgerät für WE unter Druck - 48 - Eigenschaften des Porensystems Quecksilberdruckporosimetrie • Die Poren eines repräsentativen Probenvolumens (z.B. 1 cm3 ) werden bei steigendem Druck (max. 4000 bar) mit Quecksilber gefüllt • Erfassung von Porenradien ab 1,7 nm • Ergebniskurven: Porenradienverteilung in Beton nach Wärmebehandlung bei 600 °C TU Dresden, Institut für Baustoffe, Prof. Mechtcherine – Bauen im Bestand - 49 -
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