ZUM EINFLUSS DER NACHBEHANDLUNG AUF DIE GEFÜGEAUSBILDUNG UND DEN FROST-TAUMITTELWIDERSTAND DER BETONRANDZONE

Ehrhardt, Dirk

Die Festigkeitsentwicklung des Zementbetons basiert auf der chemischen Reaktion des Zementes mit dem Anmachwasser. Durch Nachbehandlungsmaßnahmen muss dafür gesorgt werden, dass dem Zement genügend Wasser für seine Reaktion zur Verfügung steht, da sonst ein Beton mit minderer Qualität entsteht. Die vorliegende Arbeit behandelt die grundsätzlichen Fragen der Betonnachbehandlung bei Anwendung von Straßenbetonen. Im Speziellen wird die Frage des erforderlichen Nachbehandlungsbedarfs von hüttensandhaltigen Kompositzementen betrachtet. Die Wirkung der Nachbehandlung wird anhand des erreichten Frost-Tausalz-Widerstandes und der Gefügeausbildung in der unmittelbaren Betonrandzone bewertet. Der Fokus der Untersuchungen lag auf abgezogenen Betonoberflächen. Es wurde ein Modell zur Austrocknung des jungen Betons erarbeitet. Es konnte gezeigt werden, dass in einer frühen Austrocknung (Kapillarphase) keine kritische Austrocknung der Betonrandzone einsetzt, sondern der Beton annährend gleichmäßig über die Höhe austrocknet. Es wurde ein Nomogramm entwickelt, mit dem die Dauer der Kapillarphase in Abhängigkeit der Witterung für Straßenbetone abgeschätzt werden kann. Eine kritische Austrocknung der wichtigen Randzone setzt nach Ende der Kapillarphase ein. Für Betone unter Verwendung von Zementen mit langsamer Festigkeitsentwicklung ist die Austrocknung der Randzone nach Ende der Kapillarphase besonders ausgeprägt. Im Ergebnis zeigen diese Betone dann einen geringen Frost-Tausalz-Widerstand. Mit Zementen, die eine 2d-Zementdruckfestigkeit ≥ 23,0 N/mm² aufweisen, wurde unabhängig von der Zementart (CEM I oder CEM II/B-S) auch dann ein hoher Frost-Tausalz-Widerstand erreicht, wenn keine oder eine schlechtere Nachbehandlung angewendet wurde. Für die Praxis ergibt sich damit eine einfache Möglichkeit der Vorauswahl von geeigneten Zementen für den Verkehrsflächenbau. Betone, die unter Verwendung von Zementen mit langsamere Festigkeitsentwicklung hergestellt werden, erreichen einen hohen Frost-Tausalz-Widerstand nur mit einer geeigneten Nachbehandlung. Die Anwendung von flüssigen Nachbehandlungsmitteln (NBM gemäß TL NBM-StB) erreicht eine ähnliche Wirksamkeit wie eine 5 tägige Feuchtnachbehandlung. Voraussetzung für die Wirksamkeit der NBM ist, dass sie auf eine Betonoberfläche ohne sichtbaren Feuchtigkeitsfilm (feuchter Glanz) aufgesprüht werden. Besonders wichtig ist die Beachtung des richtigen Auftragszeitpunktes bei kühler Witterung, da hier aufgrund der verlangsamten Zementreaktion der Beton länger Anmachwasser abstößt. Ein zu früher Auftrag des Nachbehandlungsmittels führt zu einer Verschlechterung der Qualität der Betonrandzone. Durch Bereitstellung hydratationsabhängiger Transportkenngrößen (Feuchtetransport im Beton) konnten numerische Berechnungen zum Zusammenspiel zwischen der Austrocknung, der Nachbehandlung und der Gefügeentwicklung durchgeführt werden. Mit dem erstellten Berechnungsmodell wurden Parameterstudien durchgeführt. Die Berechnungen bestätigen die wesentlichen Erkenntnisse der Laboruntersuchungen. Darüber hinaus lässt sich mit dem Berechnungsmodell zeigen, dass gerade bei langsam reagierenden Zementen und kühler Witterung ohne eine Nachbehandlung eine sehr dünne Randzone (ca. 500 µm – 1000 µm) mit stark erhöhter Kapillarporosität entsteht.

The hardening of cement concrete is based on the chemical reaction of cement and water. Therefore, the ensuring of sufficient amount of water in concrete is essential. All these measures are referred as curing of concrete. This dissertation provides a basic consideration of curing of concrete for concrete pavements. In this regard the using of cements with slow strength development, e.g. cements with blast furnace slag is the main topic. The effectiveness of curing was evaluated on the basis of the freeze-thaw de-icing resistance and the microstructure of hardened outer concrete surface. Concrete surfaces with textured mortar are on the focus. The results were used to develope a model of the drying of young concrete. It could be shown, that the outer concrete surface does not dry during the first drying phase (called capillary phase). Instead the concrete is drying evenly over the high of the concrete sample during the capillary drying phase. A fast drying of the outer concrete surface only takes place after the capillary drying phase. Based on all results a nomogram (for road concrete) was created for an estimation of the duration of the capillary drying phase. If there is no curing after the capillary drying phase the concrete with use of slowly reacting cement has a great risk for a harmful drying of outer concrete surface. In this case such a concrete shows a very poor freeze thaw de-icing resistance. By using cements with a 2 day-compressive strength ≥ 23,0 N/mm² a good freeze thaw de-icing resistance could assure, despite no or a poor curing was applied. This criterion can be used to estimate the usability of cements with granulated blast furnace slag when a great freeze thaw de-icing resistance is essential. There could also be used a cement with lower 2 day-compressive strength. In this case a good curing has to be assured. Spraying of liquid curing compounds according to TL NBM-StB is suitable for curing concrete pavements. The curing compound should not be sprayed on a concrete surface with any visible water film. The effectiveness of curing compounds is equal to a five days long wet curing in consideration of applying the curing compound at the right time. Otherwise there is some negative influence when the spraying of curing compounds starts too early. Consideration about the right application time of curing compounds is more important for low temperatures because the concrete bleeds much longer due to the slower cement reaction at low temperatures. It was possible to create a numerical model which accounts the interaction between drying, curing and development of microstructure by providing hydration dependent transport parameters (water transport in concrete). The model was used for a parameter study. It could be shown that the combination of cements with slow strength development and low ambient temperatures leads to a thin surface zone (500 µm – 1000 µm) with very high capillary porosity.

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Ehrhardt, Dirk: ZUM EINFLUSS DER NACHBEHANDLUNG AUF DIE GEFÜGEAUSBILDUNG UND DEN FROST-TAUMITTELWIDERSTAND DER BETONRANDZONE. 2017.

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