Versuche zum Schwinden von hochfestem Beton

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T. Rinder
Versuche zum Schwinden von hochfestem
Beton
TASSILO RINDER
Institut für Werkstoffe im Bauwesen, Universität Stuttgart
Einleitung
Im Zuge eines DAfStb-Forschungsvorhabens zur Untersuchung der Standzeit und
des Kriechens von hochfestem Beton unter Dauerzugbelastung [4] wurden parallel
zu den laufenden Dauerstandversuchen, die sich über Zeiträume von mehreren
Tagen bis zwei Jahre erstrecken, Messungen zum Schwinden an lastfrei gelagerten Vergleichsprobekörpern durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Messungen dienen dazu, aus den unter Dauerlast gewonnen Dehnungsverläufen den Schwindanteil zu eliminieren, um so das Kriechverhalten genauer darstellen zu können.
Im folgenden wird nach einem kurzen Überblick über die verschiedenen
Schwindarten unter Berücksichtigung der Besonderheiten bei hochfesten Betonen
auf die Herstellung der verwendeten hochfesten Betone und die gemessenen Festbetonwerte eingegangen. Die Vorgehensweise bei den Schwindversuchen sowie
bisherige Ergebnisse werden erläutert. Anhand eines vorliegenden empirischen
Ansatzes zur Berechnung von Schwinddehnungen, der sowohl den Anteil des
Trocknungsschwindens als auch den des sogenannten autogenen Schwindens berücksichtigt, werden mittels nichtlinearer Regression Schwindverläufe extrapoliert
und Endschwindmaße abgeschätzt.
Schwindarten
Mit dem Begriff „Schwinden“ werden Volumenänderungen des Betons beschrieben, die nicht durch Last- oder Temperatureinwirkung, sondern durch Veränderung des Wasserhaushaltes verursacht werden. Chemische Treibprozesse wie Alkali- oder Sulfattreiben fallen jedoch nicht unter den Begriff des Schwindens [1].
Die einzelnen Schwindarten lassen sich nach zeitlichem Auftreten oder nach ihren
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Ursachen in Kapillarschwinden (Frühschwinden), Trocknungsschwinden, autogenes Schwinden (chemisches Schwinden) und Carbonatisierungsschwinden einteilen.
Bereits beim Betonieren kommt es durch verdampfendes Wasser zum Kapillarschwinden, das beim hochfesten Beton wegen des hohen Gehalts an mehlfeinen
Feststoffen und der Zugabe von Zusatzstoffen, die die Verarbeitbarkeit verlängern, besonders zu beachten ist. Mit frühen Nachbehandlungsmaßnahmen, die den
Wasserverlust unterbinden, kann das Kapillarschwindmaß wirkungsvoll verringert
werden.
Sobald man beim Festbeton wieder die Verdunstung von Wasser zuläßt, setzt das
Trocknungsschwinden ein, das – ähnlich wie das Kapillarschwinden – durch Wasserzugabe reversibel ist. Hoher Zementgehalt bedingt zwar ein hohes Trocknungsschwindmaß jedoch wird dieses durch den niedrigen Wasserzementwert wiederum verringert.
Autogenes Schwinden wird beim erhärtenden Beton durch die sogenannte Selbstaustrocknung des während der Hydratation entstandenen Porenraums hervorgerufen. Da bei hochfesten Betonen aufgrund des niedrigen Wasserzementwertes nur
wenig Wasser für diesen Prozess zur Verfügung steht, findet eine heftige innere
Austrocknung statt, die mit nennenswerten Schwindmaßen vor allem innerhalb
der ersten Tage der Erhärtung einhergeht1.
1
Bei den untersuchten hochfesten Betonen mit hohem Zement-, Mikrosilica- und Fließmittelanteil
sowie niedrigem Wasserzementwert (s. u.: Mix 3) hat – eine Lagerung bei ungefähr 80% relative
Luftfeuchte vorausgesetzt – das autogene Schwinden den weitaus größten Anteil am Gesamtschwinden, wenn man die Schwindverformungen spätestens ab dem ersten Tag nach dem Betonieren betrachtet. Bei den nach dem Ausschalen in Folie verpackten Probekörpern beobachtet man
noch wochenlang eine starke Kondenswasserbildung. Nach der Lastprüfung (nach 28 Tagen) zeugt
die deutlich trockene Bruchfläche im Innern der Probe vom Selbstaustrocknungsprozess, wohingegen die Probenoberflächen nass sind. Mögliche Ursachen für diesen Feuchtigkeitstransport, der
offenbar von innen nach außen stattfindet obwohl im Innern der Probe ein erhöhter Wasserbedarf
besteht, sind Diffusions- und Kondensationsvorgänge z. B. infolge des durch Hydratationswärme
vorhandenen Temperaturgradienten. Zur abschließenden Klärung dieses Phänomens wären weitergehende Untersuchungen notwendig.
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Bei voll konservierender Lagerung tritt nur autogenes Schwinden auf, während
bei normaler, austrocknender Lagerung Trocknungsschwinden und autogenes
Schwinden zusammen gemessen werden. Daher ist bei der Bestimmung des
Trocknungsschwindens der Anteil des autogenen Schwindens stets im Messergebnis enthalten, weshalb gerade bei der Untersuchung von hochfesten Betonen
mit ausgeprägter Neigung zum autogenen Schwinden der Messbeginn eine wesentliche Rolle spielt.
Auch der Einfluss aus Carbonatisierungsschwinden läßt sich bei austrocknender
Lagerung an der Luft nicht getrennt vom reinen Trocknungsschwinden erfassen.
Bei normalfestem Beton vergrößert das Carbonatisierungsschwinden das
Schwindmaß um ungefähr 50% des reinen Austrocknungsschwindens. Da sich
hochfester Beton durch eine hohe Dichtigkeit auszeichnet, ist hier mit geringerer
oder zumindest zeitlich stark verzögerter Carbonatisierung zu rechnen.
Probekörper
Zur Durchführung der Schwind- und Zugversuche wurden spezielle knochenförmige Probekörper entwickelt (Bild 1, Querschnittsabmessungen im Messbereich a
⋅ b = 80 ⋅ 100 mm), deren Verbreiterungen an den Enden über dort einbetonierte
Ankerhülsen die Zugkrafteinleitung ermöglichen. Um das lastfreie Schwinden für
die Auswertung der Dauerzugversuche möglichst genau erfassen zu können, wurden hierfür identische Probekörper hergestellt.
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Bild 1: Probekörpergeometrie
Betonrezepturen
Im Versuchsprogramm werden vier unterschiedliche Betonmischungen eingesetzt
wobei die Betondruckfestigkeitsklassen B65 (C55/67), B85 (C70/85) und B105
(C90/105) erzielt werden.
Je m³ Frischbeton werden mindestens 375 kg Portlandzement mit hoher Anfangsfestigkeit CEM I 42,5 R. (B65, B85) bzw. CEM I 52,5 R (B105) verwendet. Bei
der Betondruckfestigkeitsklasse B105 besteht die Größtkornfraktion aus Basaltsplitt(Mix 3, Tabelle 1). In der Druckfestigkeitsklasse B85 wird neben einem
Normalbeton noch der am Institut für Werkstoffe im Bauwesen entwickelte nachbehandlungsunempfindliche Hybridbeton mit Leichtzuschlägen [5] untersucht
(Mix 4). Die Normalzuschläge bestehen aus Rheinsand und -kies.
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Tabelle 1: Betonzusammensetzung in kg/m³
Beton
Festigkeitsklasse
Mix 1
Mix 2
Mix 3
Mix 4
B65
B85
B105
B85
Zement CEM I 42,5 R
1)
375
445
-
450
Zement CEM I 52,5 R
1)
-
-
450
-
168
148
134
131
0-2 mm
549
535
581
455
2-4 mm
275
268
207
325
4-8 mm
412
401
362
317 (Blähton)5)
576
561
650 (Basalt)
461
19
40
45
45
6,0
13,5
33,5
13,5
W/Z Wert
0,45
0,33
0,30
0,29
W/B Wert
0,43
0,31
0,27
0,26
2)
Wasser
Zuschlag
8-16 mm
3)
Mikrosilica
Fließmittel
4)
1)
Fa. Schwenk, Werk Mergelstetten
2)
gesamte Wassermenge einschließlich Wasser aus Mikrosilicasuspension und Fließmittel
3)
Trockenmasse der Suspension (Elkem Mikrosilica, Fa. Woermann, Darmstadt)
4)
Woerment FM30, Fa. Woermann, Darmstadt
5)
Liapor F8, Fa. Liapor, Tuningen
Es ist durchaus möglich bei entsprechend niedrigem Wasserzementwert einen
hochfesten Beton B65 ohne Zusatzstoffe und –mittel herzustellen. Um vergleichbare Ergebnisse zu erzielen, werden jedoch auch hier, wie bei allen Rezepturen,
Mikrosilicasuspension und Fließmittel eingesetzt. Bei den höheren Betondruckfestigkeitsklassen ist die Zugaben von Fließmittel bzw. Verflüssiger unabdingbar,
damit sich bei den niedrigen Wasserzementwerten eine verarbeitungsfähige Konsistenz einstellt. Die notwendige Fließmittelzugabe beträgt hierbei bis zum Doppelten des laut Herstellerangaben zulässigen, auf das Zementgewicht bezogenen
Wertes. Der Einsatz von Verzögerer ist bei solch hohen Fließmittelzugaben nicht
erforderlich.
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Herstellung und Lagerung der Proben
Als Referenzprobekörper zur Feststellung der Festbetondruckfestigkeit werden
Würfel der Kantenlängen 100 mm und 200 mm hergestellt, für Spaltzugfestigkeitsprüfungen Probewüfel mit 100 mm Kantenlänge. Die vor dem Betonieren der
Probekörper gemessenen betontechnologischen Kennwerte sind als Mittelwerte in
Tabelle 2 dargestellt.
Tabelle 2: Frischbetoneigenschaften der hergestellten Betone
Frischbetoneigenschaft
Beton
Mix 1
Mix 2
Mix 3
Mix 4
Ausbreitmaß (cm)
53
46
39
36
Konsistenz
KF
KR
KP
KP
Rohdichte (kg/dm³)
2,38
2,39
2,46
2,22
Luftgehalt (%)
1,4
1,6
2,2
2,9
Die Probewürfel werden einen Tag nach dem Betonieren ausgeschalt und lagern
bis zum 7. Tag im Feuchtraum (20°C / 95% rel. LF.). Anschließend werden sie bis
zum Zeitpunkt der Prüfung am 28. Tag im Klimaraum (20°C / 65% rel. LF.) gelagert.
Die knochenförmigen Probekörper für die Schwind- und Zugversuche werden
einen Tag nach dem Betonieren ausgeschalt, lagern bis zum 7. Tag im
Feuchtraum (20°C / 95% rel. LF.) und werden anschließend in Folien verpackt. In
Vorversuchen wurden auch Schwindmessungen an unverpackten, luftgelagerten
Probekörpern vorgenommen (Bild 2).
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Bild 2: Probekörper für Zug- und Schwindversuche
Materialkennwerte
Die an 28 Tage alten Probekörpern ermittelten Festbetonkennwerte sind als Mittelwerte in Tabelle 3 aufgeführt. Den eingetragenen Werten liegen insgesamt 24
Betonierchargen zugrunde wobei für die Ermittlung der Druckfestigkeit und der
Spaltzugfestigkeit jeweils drei Probekörper geprüft wurden. Für die Ermittlung
der Materialkennwerte unter zentrischem Zug (zentrische Zugfestigkeit, Elastizitätsmodul und Zugbruchdehnung) standen je Betoniercharge zwei oder drei Probekörper zur Verfügung. Allerdings wurden durch Ankerkopfbrüche (ca. 3%) die
Ergebnisanzahl zur Zugfestigkeitsermittlung und durch Brüche außerhalb der
Messstrecke (ca. 40%) die Ergebnissanzahl zur Zugbruchdehnungsermittlung verringert.
Versuche
Die Probekörper wurden nach dem Ausschalen, also einen Tag nach dem Betonieren, aus dem Nasslager (20°C, 95% rel. LF) entnommen und im Prüfraum zur
Schwindmessung mit zwei induktiven Wegaufnehmern (Bild 3) bestückt und in
Folien verpackt. Anschließend wurden die Probekörper im Prüfraum so aufgelagert, dass eine freie horizontale Verschieblichkeit gewährleistet war und der
Messbereich möglichst frei von Biegemomenten aus Eigengewicht blieb.
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Die Klimaschwankungen im Prüfraum betrugen – von kurzzeitigen Spitzen abgesehen – 19 bis 25°C Lufttemperatur und 28 bis 47% relative Luftfeuchte.
Tabelle 3: Mechanische Eigenschaften der untersuchten Betone (im Alter von 28 Tagen)
Beton
Mix 2
Mix 3
Mix 4
Würfeldruckfestigkeit βWN200 (MPa) 81,4
94,9
109,1
83,4
Würfeldruckfestigkeit βWN100 (MPa) 90,3
105,9
115,0
90,0
Umrechnungsfaktor βWN200 / βWN100
0,90
0,90
0,95
0,93
Spaltzugfestigkeit βSZ (MPa)
4,52
6,02
6,50
5,75
zentrische Zugfestigkeit βbZ (MPa)
4,93
4,47
6,00
4,40
Umrechnungsfaktor βSZ / βbZ
0,92
1,35
1,08
1,31
Elastizitätsmodul E0,051) (GPa)
38,7
42,0
44,5
37,5
Zugbruchdehnung (mm/m)
0,14
0,11
0,15
0,11
1)
Mix 1
Sekantenmodul unter Zugbelastung bei einer Dehnung von 0,05 mm/m
Bild 3: Probekörper für Schwindmessungen mit zwei Wegaufnehmern
Auswertung
Die gesamte Schwindverformung setzt sich aus dem Anteil des autogenen
Schwindens (εSa) und dem des Trocknungsschwindens (εST) zusammen. Das autogene Schwinden hängt außer von der Zeit nur von den Materialeigenschaften ab
wohingegen beim Trocknungsschwinden zusätzlich die relative Umgebungsluftfeuchte und die Probekörperabmessungen eine Rolle spielen. Nach [2] gelten
ε Sa ,t = ε Sa ,∞ ⋅ (1 − exp[−0,2 t ]) und
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ε ST ,t = ε ST ,∞ ⋅
t − t0
.
3,5h 2 + t − t 0
Darin bedeuten:
εSa,∞
Endschwindmaß des autogenen Schwindens: εSa,∞= εSa,∞(Zementart, βWN)
εST,∞
Endschwindmaß des Trocknungsschwindens: εST,∞= εST,∞(rel. LF, βWN)
h
wirksame Dicke in cm: h = 2A/u mit A = Querschnittsfläche und u = Anteil des der Trocknung ausgesetzten Querschnittumfangs
t
Betonalter in Tagen
t0
Betonalter beim Beginn des Austrocknens in Tagen
Mit den Angaben aus [2] wurden für die untersuchten Betonmischungen die Anteile des autogenen Schwindens berechnet (Tabelle 4). Da die Werte der relativen
Luftfeuchte in der Umgebung der in Folie verpackten Probekörper nicht genau
bekannt sind, wurden die Anteile des Trocknungsschwindens durch gezielte Variation der Endschwindmaße so berechnet, dass sich die resultierenden Schwindverläufe an die Kurven der Messdaten möglichst genau anpassen.
Tabelle 4: Endschwindmaße für autogenes Schwinden, Trocknungs- und Gesamtschwinden der
unterschiedlichen Betonmixturen bei Lagerung in Folie und Luftlagerung
Beton
Mix 1
εSa,∞ (mm/m)
-0,15
Lagerung
Mix 2
-0,18
1)
in Folie an Luft
1)
in Folie an Luft
Mix 3
Mix 4
-0,20
-0,15
in Folie
in Folie
εST,∞ (mm/m)
-0,09
-0,43
-0,21
-0,47
-0,43
-0,21
εSa,∞+εST,∞ (mm/m)
-0,24
-0,58
-0,39
-0,65
-0,63
-0,36
1)
relative Luftfeuchte 32% (im Mittel)
Um die Messwerte der Datenerfassung objektiv zu berücksichtigen, wurde ein
Computerprogramm geschrieben, das mit der Methode der kleinsten Fehlerquadrate auf numerischem Weg eine über den Beobachtungszeitraum hinaus gehende,
ausreichend genaue Kurvenapproximation sucht. Die so gefundenen Schwindverläufe sind in den Bildern 4 und 5 gezeigt. Eine Besonderheit stellt der untersuchte
nachbehandlungsunempfindliche Hybridhochleistungsbeton (Mix 4) dar, dessen
poröser Blähtonzuschlag beim Betonieren Wasser aufnimmt, um es später als sogenannte innere Nachbehandlung wieder an den hydratisierenden Zement abzuge-
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ben. Dieser Vorgang führt in den ersten Tagen der Erhärtung zu positiven
Schwindverformungen (Quellen). Die Anwendung der herkömmlichen Ansätze
zur Berechnung des Trocknungsschwindverlaufs ist daher zunächst nicht möglich,
es zeigt sich aber, dass sich nach längerer Zeit der gemessene und der rechnerische Dehnungsverlauf angleichen (Bild 4).
Bild 4: Gemessene und vorausberechnete Schwindverläufe der verschiedenen Betonmixturen bei
Lagerung der Probekörper in Folie (in Klammern: Dauer der Messung)
Bild 5: Gemessene und vorausberechnete Schwindverläufe verschiedener Betonmixturen bei Lagerung der Probekörper an Luft (mittlere relative. LF = 32%, in Klammern: Dauer der Messung)
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Zusammenfassung
Die bisherigen Messungen zeigen einen signifikanten Einfluß der verwendeten
Betonrezeptur auf die zu erwartenden Schwindverformungen und bestätigen die
höheren Endschwindmaße von hochfestem Beton gegenüber normalfestem Beton.
Vor allem durch autogenes, von der Nachbehandlung unabhängiges Schwinden
wird ein für baupraktische Belange wichtiger Faktor relevant, der bisher bei normalfestem Beton vernachlässigt werden konnte.
Wie bereits eingangs erwähnt, wurden die hier beschriebenen Schwindmessungen
ergänzend zu den im Mittelpunkt des Projekts stehenden Versuchen zum Zugkriechverhalten von hochfestem Beton unter Dauerlasteinwirkung durchgeführt.
Zweck war es hierbei durch Differenzbildung zwischen den Verformungen unter
Dauerlast und den hier berichteten Schwindverformungen letztendlich das
Kriechverhalten von hochfestem Beton präziser quantifizieren zu können. Die
Berücksichtigung zusätzlicher Effekte wie z. B. spannungsinduzierte Schwindverformungen bzw. trocknungsinduzierte Kriechverformungen [3] bleibt weitergehenden Untersuchungen vorbehalten.
Literatur
[1] Grube H (1991) Ursachen des Schwindens von Beton und Auswirkungen auf Betonbauteile. Schriftenreihe
der Zementindustrie, Heft 52. Beton-Verlag Düsseldorf
[2] Hilsdorf HK, Reinhardt HW (1999) Beton. Zur Veröffentlichung vorgesehen in Betonkalender 2000.
Ernst&Sohn Berlin
[3] Kovler K (1999) A new look at the problem of drying creep of concrete under tension. Journal of materials in civil engineering
[4] Reinhardt HW, Rinder T (1998) High strength concrete under sustained loading. Otto Graf Journal, Vol.
9, Forschungs- und Materialprüfanstalt Baden-Württemberg, Stuttgart
[5] Weber S (1996). Nachbehandlungsunempfindlicher Hochleistungsbeton. Mitteilungen des Instituts für
Werkstoffe im Bauwesen, Band 1996/2, IWB Universität Stuttgart

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