Fakultät Bauingenieurwesen, Institut für Baustoffe, Prof. Dr.-Ing. Viktor Mechtcherine Modul 4-21, WS Bauen im Bestand – Instandsetzungsmethoden und -baustoffe Teil 3: Risse und Rissursachen Viktor Mechtcherine Institut für Baustoffe Allgemeines Risse BetonStahlbetonbauten Risse iminBetonundund Stahlbetonbau Einfluss auf • Dauerhaftigkeit • Gebrauchstauglichkeit • Tragfähigkeit • Ästhetik Entstehung • planmässig • unplanmässig Weitere Aspekte • bauartcharakteristisch • Spannungsumlagerung ?! • Vorankündigung des Versagens • Bemessungsgrundlage TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Instandsetzungsmethoden und -baustoffe -2- Allgemeines Rissursachen Risse im Beton- und Stahletonbau TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Instandsetzungsmethoden und -baustoffe -3- 1 Rissursachen vor Erhärten Setzen des Frischbetons Ursache /Ablauf • Wasserverdunstung an freier Oberfläche bis zum Erhärtungsbeginn Volumenverringerung der Zementleim-Suspension in oberer Schicht „Absinken der Betonoberfläche“ Behinderung des „Absinkens“ über horizontalem Bewehrungsstahl Rissbildung • rein physikalischer Vorgang Emmons (1993) TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Instandsetzungsmethoden und -baustoffe -4- Rissursachen vor Erhärten Setzen des Frischbetons Risscharakteristika • Längsrisse über horizontaler Bewehrung • Hohllagen unter Bewehrung Verbundbereich II (DIN 1045) • Rissbreite: 0,5 – 2 mm • Risstiefe: bis Bewehrungsstahl Richter (2009) TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Instandsetzungsmethoden und -baustoffe -5- Rissursachen vor Erhärten Plastisches Schwinden Ursache /Ablauf • Wasserverdunstung an freier Oberfläche bis zum Erhärtungsbeginn Volumenverringerung der Zementleim-Suspension in oberer Schicht horizontales „Aneinanderrücken“ der Suspensions-Partikel Rissbildung in oberer Schicht • rein physikalischer Vorgang (Analogie: Austrocknen von Lehmpfützen) Emmons (1993) TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Instandsetzungsmethoden und -baustoffe -6- 2 Rissursachen vor Erhärten Plastisches Schwinden Risscharakteristika • netzartige, zufällige Risse • Wind: Ausrichtung der Risse • Rissbreite: 0,5 – 2 mm • Risstiefe: bis 100 mm (in dicken Bauteilen) • frühzeitig entstandene Risse sind breiter als später entstandene Risse A Ausgetrocknete t k t L Lehmpfütze h füt Richter (2009) Verschieden Breiten von Rissen aus plastischem Schwinden Textur des Rissbildes durch Windeinfluss (Richter 2009) TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Instandsetzungsmethoden und -baustoffe -7- Rissursachen vor Erhärten Plastisches Schwinden Risscharakteristika • Haarrisse mit Tiefe von 1 bis 2 mm sind kein technischer Mangel! • Risse in Druckzone von Platten erhöhte Durchbiegung bis Risse überdrückt • Risse bis zum Bewehrungsstahl: Dauerhaftigkeitsprobleme! Detail zur Rissbreite Risse aus plast. Schwinden in der Bodenplatte eines Fahrsilos (Richter 2009) TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Instandsetzungsmethoden und -baustoffe -8- Rissursachen nach Erhärten Abfließende Hydratationswärme Ursache / Ablauf • Erwärmung des jungen Betons mit intensiv einsetzender Hydratation • abnehmende Plastizität • zunehmende Festigkeit und Steifigkeit • Abkühlung durch abfließende Wärme Aufbau von Zwangsspannungen (bei behinderter Verformung) Rissbildung bei Überschreiten der Zugfestigkeit des jungen Betons Einflussparameter • Hydratationswärme-Entwicklung (Zementart etc.) • Wärmeleitfähigkeit des Betons • Wärmeabgabe nach Außen • Bauteildicke (Eigenspannungen) • äußere Zwängungen Spannungsentwicklung in Längsrichtung in einem verformungsbehinderten Stab TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Instandsetzungsmethoden und -baustoffe -9- 3 Rissursachen nach Erhärten Abfließende Hydratationswärme, Verformungsbehinderung/Zwang a) niedrige Wände: die Risse beginnen kurz über der Sohlplatte und reichen meistens bis zur Wandkrone hoch. b) hohe Wände: die Risse beginnen ebenfalls kurz über der Sohlplatte, enden jedoch häufig unterhalb der Wandkrone; der Rissabstand ist größer als bei niedrigen Wänden. TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Instandsetzungsmethoden und -baustoffe - 10 - Rissursachen nach Erhärten Abfließende Hydratationswärme Trennrisse in Stützwand Trennrisse in Kellerwand (Richter 2009) TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Instandsetzungsmethoden und -baustoffe - 11 - Rissursachen nach Erhärten Autogenes und Trocknungsschwinden Ursache und Ablauf • Volumenverringerung durch Selbstaustrocknung bei Hydratation (Autogenes Schwinden) • Volumenverringerung durch Wasserabgabe nach Außen (Trocknungsschwinden) Aufbau von Zwangsspannungen (bei behinderter Verformung) Rissbildung bei Überschreiten der Zugfestigkeit des (jungen) Betons • Autogenes Schwinden: kein Spannungsgradient • Trocknungsschwinden: Spannungsgradient • „späte“ Rissbildung möglich! (abhängig von Bewehrungsgrad, Betonzugfestigkeit, Austrocknungsbedingungen etc.) TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Instandsetzungsmethoden und -baustoffe - 12 - 4 Rissursachen nach Erhärten Autogenes und Trocknungsschwinden Risscharakteristika • Eigenspannungen im Bauteil : oberflächennahe Risse • Rissbreite: i.d.R. < 0,25 mm • Risstiefe: begrenzt auf Oberfläche (abhängig von Verlauf der Austrocknung und Festigkeitsentwicklung) • äußerer Zwang am Bauteil: Trennrisse ggf. Überlagerung mit Biegerissen • Rissbreite: i.d.R. < 0,1 bis ?? mm (abhängig von Zwangsgrößen, Betonfestigkeit und -steifigkeit, Bewehrungsgrad) • Risstiefe: ≤ Bauteildicke Zwangsrisse in Bodenplatten von Parkhäusern (Richter 2009) TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Instandsetzungsmethoden und -baustoffe - 13 - Rissursachen nach Erhärten Autogenes und Trocknungsschwinden Einflussparameter • Leimgehalt im Beton (Z+FA+MS+W+LP) (und damit absolutem Wassergehalt) • W/Z-Wert • E-Modul der Gesteinskörnung • Schwinden und Quellen der Gesteinskörnung • Umgebungsfeuchte • Bauteildicke • Behinderung von Verformungen • Bewehrungsgrad • Betonierreihenfolge • Fugenausbildung •… •… TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Instandsetzungsmethoden und -baustoffe - 14 - Rissursachen nach Erhärten Temperaturänderungen Emmons (1993) TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Instandsetzungsmethoden und -baustoffe - 15 - 5 Rissursachen nach Erhärten Temperaturgradienten Emmons (1993) TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Instandsetzungsmethoden und -baustoffe - 16 - Rissursachen nach Erhärten Lasten, Überlastung JCI (2003) TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Instandsetzungsmethoden und -baustoffe - 17 - Rissursachen nach Erhärten Lasten, Überlastung Emmons (1993) TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Instandsetzungsmethoden und -baustoffe - 18 - 6 Rissursachen nach Erhärten Überlastung, Schub- und Scherrisse TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Instandsetzungsmethoden und -baustoffe - 19 - Rissursachen nach Erhärten Lasten, Überlastung Emmons (1993) TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Instandsetzungsmethoden und -baustoffe - 20 - Rissursachen nach Erhärten Vorspannung, Kriechen und Schwinden Emmons (1993) TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Instandsetzungsmethoden und -baustoffe - 21 - 7 Rissursachen nach Erhärten Ungleichmäßige Setzungen JCI (2003) TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Instandsetzungsmethoden und -baustoffe - 22 - Rissursachen nach Erhärten Ungleichmäßige Setzungen (Hier: numerische Analyse) Crack widths Deformations Cervenca (2000) TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Instandsetzungsmethoden und -baustoffe - 23 - Typische Rissbilder Rissbildung durch Last- und Zwangsspannungen TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Instandsetzungsmethoden und -baustoffe - 24 - 8 Typische Rissbilder Netzrisse • Eigenspannungen (hygrische und thermische Verformungen) engmaschige Risse • chemische Treibreaktionen (Sekundäre Ettringitbildung, ASR) grobmaschige Risse TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Instandsetzungsmethoden und -baustoffe - 25 - Typische Rissbilder Längs- und Querrisse • Setzen des Frischbetons, Eigenspannungen (Bewehrung; Einbauteile) Längsrisse • Zwangsspannungen (Lagerung), Eigenspannungen (Hydratationswärme) Querrisse TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Instandsetzungsmethoden und -baustoffe - 26 - Typische Rissbilder Frostschaden Abwitterungen Abwitterungen Bewehrungskorrosion Abplatzungen über der Bewehrung TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Instandsetzungsmethoden und -baustoffe - 27 - 9 Typische Rissbilder Querschnittsänderung + Zwang hohe Kerbspannungen Risse Kiesnester begünstigen die lokale Rissbildung TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Instandsetzungsmethoden und -baustoffe - 28 - Wesentliche Rissursachen und -merkmale TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Instandsetzungsmethoden und -baustoffe - 29 - Wesentliche Rissursachen und -merkmale TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Instandsetzungsmethoden und -baustoffe - 30 - 10 Risse in Betonbau – Überblick Rissarten/-ursachen Plastisches Setzen A, B, C Plastisches Schwinden D, E, F Abfließende Hydratationswärme G, H Trocknungsschwinden I Crazing J, K Bewehrungskorrosion L, M Alkali-Silika-Reaktion N Concrete Repair Manual (2002) TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Instandsetzungsmethoden und -baustoffe - 31 - Rissursachen nach Erhärten Karbonatisierungsschwinden Ursache und Ablauf • Volumenverringerung beim Übergang von Ca(OH)2 zu CaCO3 (Karbonatisierung) • Volumenverringerung in karbonatisierter Oberflächenschicht Aufbau von Zwangsspannungen (behinderte Verformung durch untenliegenden Beton) Rissbildung bei Überschreiten der Zugfestigkeit des Betons Einflussparameter • Zement bzw. Bindemittelgehalt • Porosität (W/Z-Wert) Risscharakteristika • feine netzartige Risse „Krakelee-Risse“ • geringe Tiefe • Bedeutung für Schönheit TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Instandsetzungsmethoden und -baustoffe - 32 - Rissursachen nach Erhärten Ettringit-Treiben (Sekundäre! Ettringitbildung) Ursache und Ablauf • Wachstum neuer (zusätzlicher!) Ettringitkristalle • zunächst: freies Kristallwachstum, Auffüllen von Poren (unkritisch) • später: Kristallisationsdruck auf Porenwand Aufbau von Eigenspannungen im Betongefüge Rissbildung bei Überschreiten der Zugfestigkeit Einflussparameter • Zementart, Bindemittelzusammensetzung • W/Z-Wert • Wasserverfügbarkeit • pH-Wert • Betonerwärmung > 70 °C Zerfall von primärem Ettringit Neubildung von sekundärem Ettringit • externe Sulfatquellen (Boden, Grundwasser, gipshaltige Schichten) Freies Wachstum von Ettringit in Poren Vollständig mit Ettringit gefüllte Pore Kristallisationsdruck TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Instandsetzungsmethoden und -baustoffe - 33 - 11 Rissursachen nach Erhärten Ettringit-Treiben (Sekundäre Ettringitbildung) Risscharakteristika • netzartige Risse • Risse im gesamten Bauteilvolumen • Rissbreite: abhängig von Schädigungsgrad Rissbildung durch Ettringit-Treiben in warmbehandeltem Fertigteil Rissbildung durch Ettringit-Treiben in Laborprobe TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Instandsetzungsmethoden und -baustoffe - 34 - Rissursachen nach Erhärten Ettringit-Treiben (Sekundäre Ettringitbildung) Nachweismethoden • nass-chemischer Sulfationen-Nachweis Ergänzen durch einen der folgenden Methoden: • DTA oder DSC (Entwässerung bei Erhitzen Unterscheidung Gips / Ettringit) • Lichtmikroskopie an präparierten Oberflächen oder Dünnschliffen • Elektronenmikroskopie, begleitende Elementanalyse (EDX) • Roentgendiffraktometrie (XRD) TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Instandsetzungsmethoden und -baustoffe - 35 - Rissursachen nach Erhärten Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) Ursache und Ablauf • Bildung von quellfähigem Alkali-Silikat-Gel Reaktion von reaktivem SiO2 mit Alkalien (Na, K) aus Zement reaktives SiO2: - amorphes SiO2 (Grauwacke, Flint, Opal, …) - gestresst/mikrokristallines SiO2 • Wasseraufnahme des Alkali-Silikat-Gel • Quelldruck in Kavitäten des Porengefüges Aufbau von Eigenspannungen im Betongefüge Rissbildung bei Überschreiten der Zugfestigkeit des Betons Einflussparameter • Reaktivität der Gesteinskörnung • effektiver Alkaliengehalt des Zement (NA-Zement!?) • Zementgehalt • Wasserzutritt • Zutritt in Wasser gelöster Alkalien von außen TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Instandsetzungsmethoden und -baustoffe - 36 - 12 Rissursachen nach Erhärten Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) Risscharakteristika • netzartige Risse • Risse im gesamten Bauteilvolumen • Rissbreite: abhängig von Schädigungsgrad • u.U. Austreten von Alkali-Silikat-Gel aus Rissen (bei hoher Feuchte) Betonschwelle mit AKR-Schaden AKR: Risse und Austretendes Alkali-Silikat-Gel an Laborprobe Bohrkern mit AKR AKR-Schaden an Betonplatte TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Instandsetzungsmethoden und -baustoffe - 37 - Rissursachen nach Erhärten Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) Nachweismethoden I • visuelle Begutachtung: Abscheidung von AKR-Gel? • Uranyl-Acetat-Fluoreszens-Test - frische Bruchfläche erzeugen - Aufsprühen von Uranyl-Acetat - Nach 4 min überschüssiges UA entfernen - UV-Bestrahlen (254 nm) grelle grün-gelbe Fluoreszenz: AKR-Gel • Lichtmikroskopie an (Dünn)Schliffen TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Instandsetzungsmethoden und -baustoffe - 38 - Rissursachen nach Erhärten Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) Nachweismethoden II • Lichtmikroskopie an präparierten Oberflächen • Elektronenmikroskopie, begleitende Elementanalyse (EDX) AKR-Gel unter dem Lichtmikroskop Na AKR-Gel (500-fach) AKR-Gel (2000-fach) K EDX-Spektrum von AKR-Gel TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Instandsetzungsmethoden und -baustoffe - 39 - 13 Rissursachen nach Erhärten Frost-Tau-Wechsel-Belastung Ursache und Ablauf • Blockieren vonPoren durch Eispfropfen (Gefrierpunkt abhängig von Porenradius) • Volumenzunahme von noch ungefrorenem Wasser beim Gefrieren (ca. 9 Vol.%) • hydrostatischer Druck im Porensysten Rissbildung bei Überschreiten der Zugfestigkeit des Betons Einflussparameter • Absoluttemperatur und Temperaturgradient • Porensystem (Kapillarporen, Luftporen, … ) • Zementsteinanteil • Grad der Wassersättigung • Anzahl der Frost-Tau-Wechsel • Eigenschaften Gesteinskörnung TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Instandsetzungsmethoden und -baustoffe - 40 - Rissursachen nach Erhärten Frost-Tau-Wechsel-Belastung Risscharakteristika I • (feine) Risse an der Oberfläche und im Volumen • Risse in Kontaktzone Gesteinskörnung – Bindemittel • Abwitterung/Abplatzungen an der Oberfläche Frostschäden an vertikalen und horizontalen Oberflächen TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Instandsetzungsmethoden und -baustoffe - 41 - Rissursachen nach Erhärten Frost-Tau-Wechsel-Belastung Risscharakteristika II • (feine) Risse an der Oberfläche und im Volumen • Risse in Kontaktzone Gesteinskörnung – Bindemittel • Abwitterung/Abplatzungen an der Oberfläche Frostschäden an Laborproben Abplatzungen Frostabwitterung an OF TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Instandsetzungsmethoden und -baustoffe Dünnschliffe von frostgeschädigtem Beton - 42 - 14 Zustandsanalyse Rissbreitenmessung – Erfassung der Rissbreite Rissbreitenlineal • visueller Vergleich • gute Genauigkeit Rissbreiten-Messlupe • Vergrößerung 6x, 10x, … • Skale vorhanden • gute Genauigkeit Rissbreiten-Mikroskop • Vergrößerung 10x, 20x, … • Skale vorhanden • hohe Genauigkeit Ri b it Li Rissbreiten-Lineal l Riss-Lupe Photogrammetrie und Bildanalyse • Genauigkeit abhängig von Auflösung der Kamera bzw. Objektgröße Riss-Mikroskop TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Instandsetzungsmethoden und -baustoffe - 43 - Zustandsanalyse Rissbreitenmonitoring Rissbreiten-Lineal • geringe Genauigkeit Gipsmarke über Riss • gute Genauigkeit Gipsmarke Rissbreiten-Lineal Instrumentierung mit mechanischen und elektrischen Sensoren • hohe bis sehr hohe Genauigkeit Messuhr Induktiver Wegsensor Extensometer Applikation für 3DRissmessung TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Instandsetzungsmethoden und -baustoffe - 44 - 15
© Copyright 2024 ExpyDoc
