Selbstheilung von Beton unter Temperatur- einfluß

M. Jooss
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Selbstheilung von Beton unter Temperatureinfluß
MARTIN JOOSS
Institut für Werkstoffe im Bauwesen, Universität Stuttgart
Allgemeines
Die Selbstabdichtung von Beton und Stahlbeton ist eine seit langem bekannte Erscheinung. Sie hat auch unter dem Begriff der Sinterung oder autogenen Heilung
bereits vor langer Zeit Einzug in die Literatur gehalten.
Verschiedene Autoren wie z. B. EDVARDSEN [1], MEICHSNER [2] und RIPPHAUSEN
[3] haben sich in ihren Arbeiten eingehend mit dem Problem der Durchlässigkeit
von Rissen und deren Selbstheilung beschäftigt. Dabei sind sie diese Aufgabenstellung von jeweils unterschiedlicher Seite angegangen. In diesem Aufsatz soll
nun ein kurzer Ausblick auf laufende Forschungsvorhaben gegeben werden, die
sich mit dem Einfluß der Temperatur auf das Selbstheilungsverhalten befassen.
Da die bei Rissen im Beton auftretende ungünstigste Form der Trennriß darstellt,
wird im weiteren auch nur auf diese Art von Riß eingegangen.
Durchlässigkeit von Trennrissen
Entscheidend für die Durchlässigkeit eines Risses sind Parameter wie der hydrostatische Druck des anstehenden Wassers, die Rißart sowie die Rißgeometrie.
Zu differenzieren sind hierbei Risse im ungerissenen Beton, wie z. B. Mikro-,
Oberflächen-, und Biegerisse und Risse im gerissenen Beton, z. B. Trennrisse.
Gerade bei Wärmespeichern sind aber auch überdrückte Risse, die aus der wechselnden Temperaturbeanspruchung zwischen Winter und Sommer herrühren, von
Bedeutung.
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Das Hauptaugenmerk wurde in dieser Arbeit, wie oben angeführt, auf die Trennrisse gelegt, da sie die größten Leckraten aufweisen und somit den negativen Extremfall darstellen.
Neben der makroskopischen Rißgeometrie (Trenn- oder Biegeriß) spielt auch die
mikroskopische Rißgeometrie eine Rolle. Der oftmals von der Theorie her erwartete geradlinige Riß, ist nämlich bei näherer Betrachtung stark verzweigt. Die
Rißverzweigung führt zu einer vermehrten Rißzahl mit gleichzeitig verminderter
Rißbreite.
Da auch bei der Durchlässigkeit sowie der Selbstheilung geringe Rißbreiten von
Vorteil sind, sollte die Rißverteilung so gewählt werden, daß möglichst viele kleine statt einem großen Riß entstehen.
Mechanismen der Selbstheilung
Selbstheilung ist eine bei wasserdurchströmten Trennrissen in Betonbauteilen seit
längerem bekannte Erfahrung, die in Grenzfällen sogar zur völligen Abdichtung
des Risses führen kann. Die Selbstheilung beruht im wesentlichen auf einer Verringerung des Durchflußquerschnitts infolge chemischer und physikalischer Ursachen. Dabei werden grundsätzlich drei Arten von Selbstheilung unterschieden:
physikalische, chemische und mechanische.
Bei den physikalischen Vorgängen ist vor allem das Quellen des Zementsteins
aufzuführen. Dieses Quellen ist jedoch ein nahezu reversibler Prozeß und der Einfluß auf die Gesamtabdichtung wird auf unter 10 % geschätzt [1]. Belegt wird
diese Untersuchung durch die Tatsache, daß Zement ein maximales Quellmaß von
ca. 0,1 mm/m besitzt und ein Wassereindringen an den Rißflanken nur bis ca. 25
mm Tiefe möglich ist. Die daraus resultierende Rißbreitenreduzierung ist somit
denkbar gering.
Die chemischen Vorgänge sind die wohl bedeutendsten im Bezug auf die Selbstheilung. Hier sind vor allem die Nachhydratation und die Carbonatbildung zu
nennen.
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Man geht davon aus, daß der mittlere Korndurchmesser üblicher Zemente (Cem
32,5 bis 42,5) je nach Sorte bei ca. 11 – 25 µm liegt. Eine vollständige Hydratation findet jedoch nur bis zu einem Korndurchmesser von ca. 10 µm statt. Es bleibt
also stets genügend unhydratisierter Zement übrig, der im Falle der Rißbildung
zur Selbstheilung durch Nachhydratation herangezogen werden kann. Der Beitrag
der Nachhydratation zur Selbstheilung kann dabei nach [1] wie folgt berechnet
werden:
Vo =
mit:
4
⋅ ⋅ ro ³
3
;
V1 =
4
⋅ ⋅ r 1 ³ = 2Vo
3
V0 = Ausgangsvolumen;
⇒
r1 = 2 1/3 ⋅ ro
(1)
V1 = Volumen nach der Hydratation;
r = Zementkornradius
damit erhält man für die Rißreduzierung:
∆
mit:
w = ( r1 − ro ) ⋅ (1 − α )
(2)
α = Hydratationsgrad
Eine Abschätzung zeigt, daß bei einem angenommenen Zementkorndurchmesser
von 25 µm und einem Hydratationsgrad von 5% (junger Beton) die Rißreduzierung nur ca. 0,012 µm beträgt
Bild 1: Modellvorstellung Rißverengung infolge Hydratation [1]
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Man kann also schon erkennen, daß durch Nachydratation nur sehr kleine Risse
heilen können (w << 0,1 mm). Die Wirkung ist ungefähr der des Quellens des
Zementsteins gleichzusetzen. Von entscheidender Bedeutung bleibt also letztlich
nur die Bildung von Calciumcarbonat.
Die Bildung von Calciumcarbonat wird durch die Auslaugung des Betons bewirkt. Dabei kann die Auslaugung nicht nur positive Auswirkungen (Selbstheilung von Rissen) besitzen, sondern im Falle der Wärmespeicher auch zu einer
Verschlammung des Speichers und damit zu einer Beeinträchtigung der Funktionalität führen.
Die mechanischen Ursachen sind vor allem in der Ansammlung von losen Betonpartikeln und sonstigen Wasserinhaltsstoffen zu sehen. Die Betonpartikeln können
sich beim Entstehen des Risses vom Rißufer ablösen und legen sich dann in Bereichen geringer Rißbreite quer. Sie vermindern somit stark den Durchfluß. Weitere antransportierte Stoffe setzen diese Rißverengung weiter zu. Dieser Vorgang
kann natürlich durch Bewegungen des Rißufers teilweise oder vollständig rückgängig gemacht werden.
Durchfluß durch gerissenen Beton
Neben den oben beschriebenen Gegebenheiten treten bei der Betrachtung der
Permeabilität durch gerissenen Beton noch weitere zu berücksichtigende Besonderheiten auf. Der mit Abstand stärkste Einfluß geht aus der Rißbreite hervor, die
mit der dritten Potenz in die Berechnung des Durchflusses eingeht. Die möglichst
genaue Angabe der Rißbreite ist also entscheidend für die Genauigkeit der Ergebnisse. Da eine exakte Bestimmung der Rißbreite und des Rißverlaufs (Rißgeometrie) von außen nicht möglich ist, müssen diese Parameter abgeschätzt werden.
Für den bei Beton wesentlich geringeren Durchfluß ist in erster Linie die Rauhigkeit der Rißwandungen anzusehen, die sogenannte Mikrorauhigkeit. Diese Mikrorauhigkeit entsteht durch die verschiedenen Oberflächenstrukturen der gerissenen Zementsteinmatrix. Neben der Mikrorauhigkeit gibt es auch noch die Makrorauhigkeit, deren Entstehung durch das Reißen des Betons entlang der Zuschlagkornoberfläche begründet ist. Die Makrorauhigkeiten stellen Rißver-
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schwenkungen dar, die neben einer Fließrichtungsänderung eine deutliche Verlängerung des Fließweges bewirken. MEICHSNER [2] versuchte die innere strömungswirksame Rißbreite mit Hilfe eines idealisierten Rißufermodells abzuschätzen. Bei diesem Modell wird das Korngerüst des Zuschlags aus idealisierten Kugeln gleichen Durchmessers und regelmäßiger Anordnung simuliert. Es verdeutlicht recht anschaulich den entscheidenden Einfluß des Verhältnisses des Korndurchmessers d zur äußeren Rißbreite w. Je größer der Korndurchmesser und je
weiter das Korn aus dem Rißufer herausragt, um so enger werden die realen Rißbreiten wr im Inneren.
Um den Einfluß der Korngröße noch anschaulicher darzustellen wurde das oben
genannte Verhältnis in nachfolgender Tabelle rechnerisch ausgewertet.
Tabelle 1: Wirksame innere Rißbreite wi in Abhängigkeit vom Korndurchmesser d und der an der
Bauteiloberfläche meßbaren Rißbreite wa
wa
in [µm]
50
100
150
200
1
1,2
5,0
11,2
19,8
Innere Rißbreite wi [µm]
Korndurchmesser d [mm]
2
3
4
0,6
0,4
0,3
2,5
1,7
1,2
5,6
3,7
2,8
10,0
6,7
5,0
5
0,2
1,0
2,2
4,0
Für die Selbstheilung dürfte nach der Modellvorstellung von Meichsner interessant sein, daß selbst bei äußeren Rißbreiten von 0,1 – 0,2 mm, Bereiche mit inneren Rißbreiten von 0,001 bis 0,05 mm entstehen.
Da sich aufgrund der Versuche eine extrem große Streubreite bei den Durchflußraten ergeben hat, wurde in dieser Arbeit der weiterentwickelte Ansatz von
MEICHSNER für die Berechnungen verwendet. Er setzt anstelle der mittleren Rißbreiten wm (= arithmetisches Mittel aller gemessenen Rißbreiten entlang der
sichtbaren Rißlänge) die Ermittlung einer effektiven Rißbreite weff.
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wm =
i =n
3
∑ (w
mi
i =1
)3
∆li
l
(3)
mit:
n
= Anzahl der Rißabschnitte
l
= Gesamtrißlänge
∆li = Länge des Rißabschnittes
wmi = mittlere Rißbreite des Rißabschnitte
Bild: 2: Rißbreitenunterschiede
Infolge der Beanspruchungsart (Normalkraft und oder Biegemoment) treten in
Fließrichtung Rißbreitenunterschiede auf. Diese sind zusätzlich mit einem gesonderten Formfaktor k1 zu berücksichtigen, so daß sich die effektive Rißbreite zu
w eff = k1 ⋅ w m
(4)
ergibt.
Eine exakte Erfassung aller Einflußfaktoren ist jedoch nahezu unmöglich.
Rechnerische Erfassung der Selbstheilung
Wie bereits erläutert spielt die Carbonatbildung die Hauptrolle bei der Selbstheilung von Rissen im Beton. Andere, zweitrangige Effekte, wie z. B. das Quellen
des Zementsteins bleiben unberücksichtigt. Ebenso das rein physikalische Zusetzen der Risse mit Wasserinhaltsstoffen. Eine so durchgeführte Betrachtung liegt
daher auf der sicheren Seite. Die in der Literatur zu findenden Berechnungen für
das Kristallwachstum sowie die zeitliche Abnahme der Leckraten basieren im
wesentlichen auf den Arbeiten von KUNZ [4] und KAZMIERCZAK [5], sowie
RIPPHAUSEN [3]. RIPPHAUSEN [3] beschränkt sich dabei jedoch auf die Bestimmung der Anfangsdurchflußrate. MEICHSNER [2] wiederum erachtet einen von der
Rißbreite unabhängigen Durchflußbeiwert für ausreichend. Allen gemeinsam ist
jedoch die empirische Basis unter Verwendung des laminaren Strömungsgesetzes.
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Anlehnend an Edvardsen [1] sollte eine Modellierung der Selbstheilung folgende
Aspekte mit einbeziehen: Anfangsdurchfluß, zeitliche Abnahme der Leckraten
infolge Selbstheilung, Dichtzeit sowie die Gesamtdurchflußmenge. Aufgrund der
großen Streuungen, die im Zusammenhang mit der Selbstheilung von Rissen auftreten sowie der Komplexität der chemisch-physikalischen Gesetzmäßigkeiten
genügen hierfür empirische Ansätze.
Kristallwachstum
Die Entstehung bzw. das Wachstum von Kristallen ist ein äußerst komplexer Prozeß, dessen Verständnis tiefergehende chemische Kenntnisse voraussetzt. Deshalb
wird auf die formelmäßige Erfassung dieser Prozesse hier nicht näher eingegangen, sonder vielmehr die Grundlagen des Kristallwachstums erläutert, KUNZ [4].
Grundsätzlich läßt sich der Reaktionsablauf in zwei wesentliche Schritte unterteilen. Die eigentliche Entstehung des Kristalls (Nukleierung) und das sich daran
anschließende Wachsen der Kristalle.
Voraussetzung für die Nukleierung ist das Überschreiten einer bestimmten Sättigungsgrenze und damit das Freisetzen der zur Kristallbildung benötigten Aktivierungsenergie. Nach dem Wechsel vom ursprünglich stabilen zum nunmehr metastabilen Bereich, kommt es zur spontanen Bildung von sogenannten Clustern oder
Subkeimen (kleinste kristallin-geordnete Bausteine). Sie entstehen aufgrund der
Wechselwirkung zwischen Ionen und Molekülen in der Lösung. Diese Cluster
bilden sich und lösen sich wieder auf, bis sich eine Anzahl Cluster gebildet hat,
die sich zu einem kritischen Cluster zusammenlagert. Da die Nukleierung und das
Kristallwachstum wie oben erwähnt eine gewisse Aktivierungsenergie erfordert,
wird dieser Prozeß durch eine erhöhte Temperatur begünstigt. Es sind zwei Formen der Nukleierung zu unterscheiden:
Die homogene Nukleierung und die heterogene Nukleierung:
Experimentelle Untersuchungen von KUNZ [4] zeigen, daß die Nukleierungsgeschwindigkeit für Calcit von folgenden Faktoren abhängt:
•
Temperatur:
höhere Temperatur ⇒ höhere Nukleierungsgeschwindigkeit
•
PH-Wert:
höherer pH-Wert ⇒ höhere Nukleierungsgeschwindigkeit
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•
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Übersättigung:
größere Übersättigung ⇒ höhere Nukleierungsgeschwindigkeit
•
Fremdkeimmenge: größere Menge ⇒ höhere Nukleierungsgeschwindigkeit
Dichtigkeitsuntersuchungen an gerissenen Proben
Prüfkörper
Aufgrund der für die Permeabilitätsmessungen für ungerissenen Beton bereits
vorhandenen Prüfzellen wurden die Prüfkörperabmessungen gleich gewählt, wobei die Höhe der Prüfkörper nunmehr fünf anstatt wie früher drei Zentimeter betrug. Diese Steigerung der Prüfkörperhöhe um 2 cm sollte dazu beitragen die
Streuungen in der Rißbreitengeometrie und somit im Durchfluß zu mindern.
Da vor Versuchsbeginn noch nicht bekannt war, welchen Einfluß die Bewehrung
auf die Rißbildung hatte, wurde in der ersten Versuchskörperserie der Stahldurchmesser, die Anzahl der Stäbe und die Lage der Bewehrung variiert.
Tabelle 2: Unterschiedliche Bewehrung der Prüfkörperserie I
Bewehrung I
Bewehrung II
Bewehrung III
Bewehrung IV
StabdurchMesser
[mm]
6
6
2
2
Lage
der Bewehrung
Anzahl
der Stäbe
StahloberFläche
Mittig
Mittig
Drittelspunkte*
Drittelspunkte*
1
2
2
4
Gerippt
Gerippt
glatt
glatt
*Drittelspunkte in Bezug auf die Prüfkörperhöhe
Nach den ersten Spaltzugversuchen stellte sich heraus, daß der Stabdurchmesser
sowie die Stahloberfläche keinen erkennbaren Einfluß auf die Rißbildung hatten.
In der Serie I wurden die Proben mit 10 und 15 cm jeweils mit allen vier Bewehrungsarten bewehrt. Von großem Einfluß dagegen war die Lage des Stahls. So
zeigte sich schon bald, daß die Probekörper mit nur einer mittigen Bewehrungslage starke Rißbreitenunterschiede zwischen der Vorder- und der Rückseite aufwiesen, so daß die weiteren Serien nunmehr mit der Bewehrungsart IV ausgeführt
wurden.
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Für die Bewehrungsart IV sprach zudem, daß hier ein sehr viel geringerer Bewehrungsquerschnitt den Riß querte (0,13 cm² bei ∅ 2mm anstatt 0,57 cm² bei ∅
6mm). Bezogen auf die gesamte Rißfläche (15 x 5 cm² = 75 cm²) ist dies ein Bewehrungsgrad von 0,16 %.
Die Prüfkörper wurden bis zum Spaltzugversuch (Einstellen der Risse) im
Feuchtraum gelagert. Nachdem die Risse eingestellt waren, wurden sie bis zur
Prüfung der Permeabilität bzw. der Diffusion im Normklimaraum (20 °C, 65 %
rel.F.) untergebracht. Damit sollte vermieden werden, daß bereits vor Prüfbeginn
eine Nachhydratation im Riß und somit eine vorzeitige „Selbstheilung“ möglich
war.
Einstellen der Risse
Die Einstellung von Rissen mit gezieltem Verlauf und vorhersagbarer Rißbreite in
Beton gehört zu einer der schwierigsten Unterfangen überhaupt, da auf die Rißentstehung und den Rißverlauf eine Vielzahl von Parametern in Bruchteilen von
Sekunden Einfluß haben.
In dieser Arbeit wurde die Einstellung der Risse mittels Spaltzugversuch durchgeführt. In der Literatur ist diese Methode durchaus umstritten, so bezeichnet
EDVARDSEN [1] die Rißerzeugung mittels Spaltzugversuch als im Hinblick auf die
praxisnahe Rißbildung eher unrealistisch. RIPPHAUSEN [3] dagegen führte alle
seine Versuche damit erfolgreich durch.
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Detail A-A
A
A
Kugelkalotte
Probe
induktive
Wegaufnehmer
Bild 3: Prüfeinrichtung zur Rißerzeugung durch Spaltzug
Einteilung in die Rißbreitenklassen
Unter zuvor genanntem Kapitel wurde das Einstellen der Risse beschrieben. Naturgemäß ist es jedoch nicht möglich Risse auf 1/100-stel Millimeter exakt einzustellen. Die Rißbreite wurde an verschiedenen Stellen der Unter- und Oberseite
des Probekörpers mit Hilfe einer Meßlupe gemessen. Um subjektive Einflüsse zu
minimieren wurden diese Arbeiten alle von derselben Person durchgeführt. Nach
der Erfassung der Rißbreiten wurde nach Gleichung 4 die mittlere Rißbreite berechnet und die Proben in unterschiedliche Rißbreitenklassen eingeteilt.
Tabelle 3 : Einteilung der Proben in Rißbreitenklassen
Rißbreitenklasse [mm]
0,05
0,10
0,15
0,20
w min
0
0,075
0,125
0,175
wmittel
0,05
0,10
0,15
0,20
w max
0,075
0,125
0,175
0,225
Meßvorgang
Geprüft wurden die gerissenen Proben mittels einer Permeabilitätsmeßanlage der
Firma Feinwerktechnik Sommer, die am Institut für Werkstoffe im Bauwesen, der
Universität Stuttgart so modifiziert wurde, daß auch größere Durchflußmengen
exakt erfaßt werden konnten.
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Erste Ergebnisse
Am IWB werden zur Zeit verschiedene Versuchsreihen zur Selbstheilung von
Beton durchgeführt. Als variierender Parameter ist hierbei, im Rahmen des BMBF
Vorhabens „Dichte Heißwasser-Wärmespeicher“, vor allem die Temperatur von
Interesse.
Erste Tastversuche zeigen, daß sich die Zunahme der Temperatur dabei günstig
auf den Selbstheilungsprozeß auswirkt.
Normierte Abnahme des Durchflusses für hochfesten
Norm ierter Durchfluß in [% ]
Beton bei unterschiedlichen Tem peraturen
110
110
100
100
90
90
80
hydraulisches Gefälle I = 100 [m W s/m ]
80
70
70
60
Rißbreite 0,10 mm, 20 °C
60
50
Rißbreite 0,10 mm, 50 °C
50
40
Rißbreite 0,10 mm, 80 °C
40
30
30
20
20
10
10
0
0
0
25
50
75
100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350
Zeit in [h]
Bild 4: Erste Versuchsergebnisse über die Selbstheilung von hochfestem Beton bei unterschiedlichen Temperaturen
In Bild 4 ist der Verlauf der Selbstheilung von 3 Probekörpern mit einer Rißbreite
von ca. 0,10 mm bei 20, 50 und 80°C dargestellt. Die verwendete Probendicke
betrug ca. 50 mm und der aufgebrachte Prüfdruck ca. 0,5 bar, so daß in der Betonscheibe ein Druckgefälle I von 100 [mWs/m] herrschte. In Bild 4 sind jedoch nur
wenige Proben zusammen gefaßt, so daß eine generelle und gesicherte Aussage
über den Temperatureinfluß auf das Selbstheilungverhalten des Betons zur Zeit
noch nicht möglich ist.
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Zusammenfassung
Seit längerem ist bekannt, daß sich Beton bei genügend kleinen Rissen selbst abdichten kann. Dies kann mit den Untersuchungen, die diesem Aufsatz zu Grunde
liegen bestätigt werden. Auch ein prinzipieller Einfluß der Temperatur auf diesen
Selbstheilungsprozeß kann bejaht werden. So ließ sich an einigen Proben, die bei
50 und 80 °C untersucht wurden, ein schnelleres Abdichten beobachten.
Die Streubreite der Werte ist dabei naturgemäß sehr groß, da nicht der komplette
Rißverlauf im Inneren der Probe erfaßt werden kann und die Rißgeometrien trotz
äußerlich gleicher Rißbreite signifikant unterschiedlich sind. Mit Rücksicht auf
die noch laufenden Forschungsarbeiten läßt sich jedoch sagen, daß in Kürze mit
interessanten Ergebnissen in diesem Bereich zu rechnen ist.
Literatur
[1] Edvardsen, C.: Wasserdurchlässigkeit und Selbstheilung von Trennrissen in Beton, DafStb, Heft
455, Berlin 1996
[2] Meichsner, H., Stelzner, S.: Über die Selbstdichtung von Rissen, Betontechnik 10, Nr. 3, S. 82-83,
1989
[3] Ripphausen, B.: Untersuchungen zur Wasserdurchlässigkeit und Sanierung von Stahlbetonbauteilen
mit Trennrissen, Dissertation RWTH Aachen, 1989
[4] Kunz, B.: Heterogene Nukleierung und Kristallwachstum von Calcit in natürlichen Gewässern.
Dissertation Nr. 7355, ETH Zürich, 1983
[5] Kazmierczak, T.F.: Criystall growth of calcium carbonate. A controlled composition kinetik study,
Journal of physical chemistry 86, p. 103-107, 1982
[6] Bick, D.: Zur Dichtheit von Trennrissen in Beton bei Einwirken umweltgefährdender Flüssigkeiten,
Druckerei Frank, Aachen, 1995

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