Dauberschmidt, Christoph

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Conference Paper, Published VersionDauberschmidt, ChristophChlorideindringwiderstand von Betonen und MörtelnVerfügbar unter/Available at: https://hdl.handle.net/20.500.11970/105498Vorgeschlagene Zitierweise/Suggested citation:Dauberschmidt, Christoph (2004): Chlorideindringwiderstand von Betonen und Mörteln. In:Bundesanstalt für Wasserbau (Hg.): Instandsetzung von Wasserbauwerken. Karlsruhe:Bundesanstalt für Wasserbau. S. 47-54.Standardnutzungsbedingungen/Terms of Use:Die Dokumente in HENRY stehen unter der Creative Commons Lizenz CC BY 4.0, sofern keine abweichendenNutzungsbedingungen getroffen wurden. Damit ist sowohl die kommerzielle Nutzung als auch das Teilen, dieWeiterbearbeitung und Speicherung erlaubt. Das Verwenden und das Bearbeiten stehen unter der Bedingung derNamensnennung. Im Einzelfall kann eine restriktivere Lizenz gelten; dann gelten abweichend von den obigenNutzungsbedingungen die in der dort genannten Lizenz gewährten Nutzungsrechte.Documents in HENRY are made available under the Creative Commons License CC BY 4.0, if no other license isapplicable. Under CC BY 4.0 commercial use and sharing, remixing, transforming, and building upon the materialof the work is permitted. In some cases a different, more restrictive license may apply; if applicable the terms ofthe restrictive license will be binding.BAW-Kolloquium Instandsetzung von Wasserbauwerken 20. Oktober 2004 in Hannover   Seite 47  Dipl.-Ing. C. Dauberschmidt, ibac -Institut für Bauforschung, RWTH Aachen  Chlorideindringwiderstand von Betonen und Mörteln   Einführung  Die Dauerhaftigkeit von Küstenbauwerken ist neben der Frosteinwirkung und mechanischer Einwirkungen maßgeblich durch das Eindringen von Chloriden in den Beton und damit ein-setzender Bewehrungskorrosion limitiert.  Dabei ist nach Bild 1 die Schädigung eines Bauteils infolge chloridinduzierter Korrosion in mehrere Phasen eingeteilt: in der Phase 1, der Einleitungsphase, gelangen Chloride durch z.B. Diffusion in den Beton und führen nach Überschreiten einer kritischen Chloridkonzent-ration am Bewehrungsstahl zu dessen Depassivierung. Bei fortschreitender Korrosion kommt es in der Schädigungsphase infolge Volumenvergrößerung der Korrosionsprodukte zu einem Sprengdruck, was auf lange Sicht zu Rissen in der Betondeckung und letztendlich zum Ab-platzen der Betondeckung führt. Bei weiter fortschreitender Korrosion kann es zu Bauteil-versagen im Bruchgrenzzustand führen. 1432Akkumulation von SchädigungenZeit t1234Depassivierung der Bewehrung (Einleitungsphase)Bildung von RissenAbplatzung der BetondeckungBauteilversagenBewehrungs-korrosion(Zerstörungs- phase)Einleitungs-phase Schädigungsphase Lebensdauer Bild 1: Zeitlich fortschreitende Akkumulation der korrosionsinduzierten Schädigungen /2/ Ziel einer dauerhaften Konstruktion sollte es sein, durch Wahl eines geeigneten Betons und einer ausreichender Betondeckung die Einleitungsphase und damit den Zeitpunkt des Kor-rosionsbeginns zu verlängern, da bis zu diesem Zeitpunkt das Bauwerk noch keine Schädi-gungen aufweist. Diese Einleitungsphase ist mit den vorhandenen Modellen mathematisch gut zu beschreiben, und das Ende dieser Phase wird häufig als Gebrauchsgrenzzustand bei der Dauerhaftigkeitsbemessung definiert.   In den folgenden Kapiteln wird zunächst beispielhaft eine Dauerhaftigkeitsbemessung für chloridinduzierte Korrosion durchgeführt. Anschließend werden die Ergebnisse eines von der BAW initiierten Forschungsvorhabens vorgestellt, in dessen Rahmen Dauerhaftigkeitsbe-messungen an Küstenbauwerken durchgeführt wurden, um zu überprüfen, ob das vorhan-dene Regelwerk (maßgeblich: ZTV-W LB 215 und 219) eine ausreichende Dauerhaftigkeit BAW-Kolloquium Instandsetzung von Wasserbauwerken 20. Oktober 2004 in Hannover   Seite 48  gewährleistet. Die Ergebnisse dieses Forschungsvorhabens flossen in die Neuformulierung der ZTV-W LB 215 und LB 219 mit ein. Weiterhin wurde ein BAW-Merkblatt zum „Chloridein-dringwiderstand von Beton“ erstellt, das die Prüfung des Migrationskoeffizienten beschreibt und eine vereinfachte Möglichkeit zur Abschätzung der Dauerhaftigkeit speziell für die Expo-sition der Wasserwechselzone bietet.  Chlorideindringen an einem Meeresbauwerk (Beispiel) Allgemeines Im Rahmen eines von der BAW veranlassten Forschungsvorhabens zur Dauerhaftigkeit von Instandsetzungssystemen /1/ wurden Betonplatten mit und ohne unterschiedlichen Beschich-tungen am Eidersperrwerk (Nordsee) und bei Eckernförde (Ostsee) in unterschiedlichen Ex-positionsklassen (wie z.B. Sprühnebel und Wasserwechselzone) ausgelagert und nach 4 bzw. 6 Jahren u.a. hinsichtlich Chlorideindringen untersucht.   Chloridgehalte nach 6 Jahren Auslagerung Zunächst wurden die Chloridgehalte tiefengestaffelt durch Entnahme von Bohrmehl in Tie-fenschritten von 0-8 mm, 12-20 mm und bereichsweise auch in Tiefenlagen von 24-32 mm und 36-44 mm bestimmt. Die Chloridgehalte wurden durch Säureaufschluss (gemäß DAfStb-Heft 401) als Gesamtchloridgehalte bestimmt und sind in Abhängigkeit der Exposition, des Betons und des Bauswerks in Bild 1 dargestellt. 0,00,10,20,30,40,5Spritzwasser Tidenhub Spritzwasser Tidenhub Spritzwasser Tidenhub Spritzwasser TidenhubTiefe: 0 - 8 mmTiefe: 12 - 20 mmTiefe: 24 - 32 mmTiefe: 36 - 44 mmChloridgehalt in M.-%CEM I - Beton CEM III A - BetonEidersperrwerk Eckernförde Eidersperrwerk Eckernförde Bild 2: Tiefengestaffelte Chloridgehalte für die Expositionen „Wasserwechselzone“ (Tiden-hub) und „Sprühnebel/Spritzwasser“ (Spritzwasser) nach 6 Jahren Auslagerung /1/ Bestimmung des Diffusionskoeffizienten und der Oberflächenkonzentration Um den Chlorideindringwiderstand einzelner Betone zu bestimmen, erfolgt die Ermittlung der Diffusionskoeffizienten und Oberflächenkonzentrationen mittels Minimierung der Fehler-quadrate nach dem zweiten Fick’schen Diffusionsgesetz. Bild 3 zeigt das Prinzip dieser Aus-wertung beispielhaft.  BAW-Kolloquium Instandsetzung von Wasserbauwerken 20. Oktober 2004 in Hannover   Seite 49   Dauerhaftigkeitsbetrachtung Mit Hilfe der Diffusionskoeffizienten und Oberflächenkonzentrationen ist es nun möglich, die Chloridprofile zu beliebigen Zeitpunkten im Rahmen einer Dauerhaftigkeitsbemessung abzu-schätzen. Die hinter einer Dauerhaftigkeitsbemessung bei chloridinduzierte Korrosion ste-henden Modellgleichung basiert auf dem 2. Fick’schen Diffusionsgesetz, das in Gleichung (1) zur Berücksichtigung der beton- und expositionsspezifischen Einflüsse modifiziert wurde /2/.  00,10,20,30,40 10 20 30 40 50 60Tiefe [mm]Chloridgehalt [M.-%]rechnerisch ermittelte Oberflächenkonzentration CsnKurve bestimmt durch Minimierung der Fehlerquadratenach 2. Fick'schem DiffusionsgesetzMesswertSteigung der Kurve ist Funktion des Diffusionskoeffizienten und der Zeit Bild 3: Bestimmung des Chloriddiffusionskoeffizienten und der Oberflächenkonzentration anhand der ermittelten Chloridgehalte (Beispiel Tidenhub, Auslagerungsort Eckern-förde, CEM III A; siehe Bild 2)  ⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⋅⋅Δ−−⋅= Δ t)t(DxxerfC)t,x(CC,Effx,S 21   Gleichung (1) mit  )t(AkDk)t(D t,RCMeC,Eff ⋅⋅⋅= 0             und      att)t(A ⎟⎠⎞⎜⎝⎛= 0  DEff,C(t): Effektiver Chloriddiffusionskoeffizient von Beton zum Beobachtungszeitpunkt t, [10-12m2/s] DRCM,0: Chloridmigrationskoeffizient von wassergesättigtem Beton, bestimmt zum Referenzzeitpunkt t0 an definiert her-gestellten und vorgelagerten Prüfkörpern, [10-12m2/s] CS,Δx: Chloridkonzentration in Tiefe Δx in Abhängigkeit der anstehenden Chlorideinwirkung, zum Zeitpunkt t [M.-%/z] ke: Parameter zur Berücksichtigung der Temperaturabhängigkeit von DEff,C(t) a: Exponent zur Berücksichtigung der Zeitabhängigkeit von DEff,C(t), Altersexponent, [-] kt: Übertragungsparameter, um Abweichungen zwischen Chloridmigrationskoeffizienten, die unter beschleunigten Bedingungen (Rapid Chloride Migration – DRCM,0) ermittelt werden, und Diffusionskoeffizienten, die unter natürli-chen Bedingungen z. B. im Labor bestimmt werden (Chloride Profiling Method – DCPM,0), berücksichtigen zu können, [-] A: Alterungsterm, [-] t: Betonalter in [s] t0: Referenzzeitpunkt in [s] Δx: Tiefenbereich in [m], der durch ggf. intermittierende Chlorideinwirkung bedingt, vom Fick’schen Verhalten ab-weichende Chloridkonzentrationen zeigt. x: Tiefe in [m], mit einem korrespondierenden Chloridgehalt C(x,t)   BAW-Kolloquium Instandsetzung von Wasserbauwerken 20. Oktober 2004 in Hannover   Seite 50  Auf Grundlage dieser Gleichung (1) wurde am Beispiel des am Eidersperrwerks ausgela-gerten Prüfkörpers eine Dauerhaftigkeitsbetrachtung durchgeführt. Dabei wurden die in /1/ ermittelten Parameter wie Diffusionskoeffizient, Oberflächenkonzentration und mittleren Wassertemperatur in Gleichung (1) eingesetzt. Die anderen Parameter wurden im Rahmen einer Literaturrecherche abgeschätzt /3/.   Bild 4 zeigt das nach 6 Jahren ermittelte Chloridprofil eines CEM I-Betons für die Exposition „Wasserwechselzone“ mit dem nach dem Diffusionsgesetz gefitteten Kurvenverlauf. Nach Gleichung (1) ist es nun möglich, das Chloridprofil in einem Bauteil-Alter von 50 Jahren ab-zuschätzen. Es zeigt sich, dass der kritische Chloridgehalt bis in großen Tiefen überschritten ist, d.h. auch Bewehrung mit einer Überdeckung von über 80 mm wird nach 50 Jahren be-reits korrodieren. Bei einer Betondeckung cnom von 60 mm ist nach ca. 12 Jahren mit der Depassivierung der Bewehrung und damit mit Beginn der Zerstörungsphase zu rechnen. 0,00,51,01,52,02,50 10 20 30 40 50 60 70 80Tiefe [mm]Chloridkonzentration [M.-%/Z.]ermitteltes Chloridprofil nach 6 JahrenKurve nach Diffusionsgesetz nach 6 Jahrenerrechnetes Chloridprofilnach 12 Jahrenerrechnetes Chloridprofilnach 50 Jahrenkritischer korrosionsauslösender Chloridgehaltcnom  Bild 4: Errechnete Chloridprofile für den Auslagerungsort Eidersperrwerk und CEM I-Beton nach 6, 12 und 50 Jahren  Dauerhaftigkeitsbemessungen von Meeresbauwerken Dauerhaftigkeitsbemessung nach alter DIN 1045 bzw. ZTV-W LB 215 Die im Rahmen des Forschungsvorhabens „Dauerhaftigkeit von Küstenbauwerken“ /3/ (ge-fördert durch das BAW) durchgeführten Dauerhaftigkeitsbemessungen zeigen, dass bei Bau-werken, die gemäß der alten DIN 1045 (1988) hinsichtlich der geforderten Betonrezeptur und Betondeckung ausgeführt wurden, mit Beginn der Korrosion innerhalb von 50 Jahren bei der Exposition „Wasserwechselzone“ gerechnet werden muss, wenn keine Betone mit be-sonders hohem Chlorideindringwiderstand verwendet wurden. Auch die in der alten ZTV-W LB 215 geforderte, gegenüber der alten DIN 1045 erhöhte Betondeckung kann u.U. inner-halb von 50 Jahren zu Korrosion der Bewehrung führen.   BAW-Kolloquium Instandsetzung von Wasserbauwerken 20. Oktober 2004 in Hannover   Seite 51  Modifizierung der neuen ZTV-W (LB 215 und LB 219, 2004) Diese Erkenntnisse flossen bei der Erarbeitung der ZTV-W (LB 215 und LB 219, Gelbdruck 2004) /5/ durch eine Modifizierung der Betonrezepturen mit ein: zukünftig sind für die Ex-positionsklassen XD 3 und XS 3 entweder die Verwendung hüttensandhaltiger Zemente oder die Verwendung von Flugasche vorgeschrieben.   Prüfmethode zur Bestimmung des Chlorideindringwiderstandes Um zukünftig aber auch Betone und Instandsetzungssysteme einsetzen zu können, die eine unbekannte Zusammensetzung besitzen (z.B. SPCC) oder deren Betonrezeptur von der o-ben beschriebenen Betonrezeptur abweichen, wurde eine Prüfmethode zur Bestimmung des Chlorideindringwiderstandes von Beton und Mörteln im Rahmen eines BAW-Merkblattes /6/ festgeschrieben.   Das Prinzip dieser Prüfung besteht in dem beschleunigten Eindringen von Chloriden in den zu untersuchenden Beton/Mörtel durch Anlegen eines elektrischen Feldes, der sogenannten Migration. Nach Ende der Potentialbeaufschlagung wird nach Spalten der Probe mittels In-dikatorlösung die Eindringtiefe der Front der freien Chloridionen ermittelt. Aus der Eindring-tiefe, der Höhe der angelegten Spannung und weiteren Parametern wird der Chlorid-migrationskoeffizient berechnet. Bild 5 zeigt schematisch den Versuchsaufbau.  Dieser ermittelte Migrationskoeffizient korreliert eng mit dem Diffusionskoeffizient, der nach Chloridbeaufschlagung, Bohrmehlanalyse und Fitting gemäß Bild 3 ermittelt werden kann (Bild 6). Die Grundlagen des Migrationstests sind u.a. in /7/ beschrieben.    Potential-differenzKathodeBeton-zylinderAnodeCl - frei-  Cl-Cl-Cl- Bild 5: Schematischer Versuchsaufbau zur Durchführung von Migrationstests (li) sowie Darstellung der Versuchskörper (re) BAW-Kolloquium Instandsetzung von Wasserbauwerken 20. Oktober 2004 in Hannover   Seite 52  1E-131E-121E-111E-101E-13 1E-12 1E-11 1E-10Migrationskoeffizient [m²/s]Diffusionskoeffizient [m²/s]MesswerteTrendlinie Bild 6: Zusammenhang von Chloridmigrationskoeffizient (bestimmt im Migrationstest) und Chloriddiffusionskoeffizient (bestimmt nach kontinuierlicher Chloridbeaufschlagung) /3/ Merkblatt „Chlorideindringwiderstand von Beton“ (Mai 2004) Neben der oben beschriebenen Prüfmethode und einer detaillierten Durchführungsbe-schreibung sind im Merkblatt „Chlorideindringwiderstand von Beton“ /6/ auch Anforderungen an Betone in Abhängigkeit der Exposition gestellt, die ein Beton erreichen muss, um eine ausreichende Dauerhaftigkeit von Meeresbauwerken und anderen Bauwerken in Chlorid-exposition zu gewährleisten. Untersuchungen am ibac haben gezeigt, dass Betone mit einer Betonrezeptur nach ZTV-W (LB 215, 2004) /5/ diese Anforderungen erfüllen (für Betone nach DIN 1045-2 ist dies ggf. nicht der Fall).   Für Instandsetzungssysteme wurde zur Abschätzung der Dauerhaftigkeit die Gleichung (1) für unterschiedliche Betondeckungen ausgewertet. Bild 7 zeigt hierfür beispielhaft die Aus-wertung für Betone mit einem Alterungskoeffizienten von 0,30: in Abhängigkeit des ermittel-ten Migrationskoeffizienten kann nun für bekannte Betondeckungen bzw. Schichtdicken von Instandsetzungssystemen der Zeitraum bis zur Depassivierung der Bewehrung und damit dem Beginn der Schädigungsphase (siehe Bild 1) abgeschätzt werden. Alternativ kann zum Erreichen einer geforderten Dauerhaftigkeit in Abhängigkeit der Betondeckung ein erforder-licher Migrationskoeffizient ermittelt werden.  Zu beachten ist hierbei, dass diese in Bild 7 dargestellte Abschätzung nur für die entspre-chenden Eingangsparameter gilt. So sind bei höheren mittleren Temperaturen Betone mit niedrigeren Migrationskoeffizienten (entspricht dichteren Betonen) zu verwenden. Auch ist das Ansetzen eines Alterungskoeffizienten > 0 (d.h. der Beton dichtet mit der Zeit nach) ggfs. nachzuweisen.   BAW-Kolloquium Instandsetzung von Wasserbauwerken 20. Oktober 2004 in Hannover   Seite 53  0,11101000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Zeitraum bis zur Depassivierung der Bewehrung [a]Migrations-koeffizient [*10-12 m²/s]c = 10 mmc = 20 mmc = 30 mmc = 40 mmc = 50 mmc = 60 mmgültig für Alterungskoeffizient a = 0,30erforderlicher Migrationskoeffizient bei gegebenem c und Lebensdauererreichbare Lebensdauer bei gegebenem c und Migrationskoeffizient                . Bild 7: Abschätzung der Lebensdauer eines Bauwerks in Abhängigkeit der ermittelten Migrationskoeffizienten und der vorhandenen Betondeckung; bzw. Abschätzung der erforderlichen Migrationskoeffizienten  Zusammenfassung und Ausblick In der vorliegenden Veröffentlichung werden zunächst die Grundlagen der Dauerhaftigkeits-bemessung hinsichtlich der chloridinduzierten Korrosion kurz vorgestellt. Anschließend wer-den die Ergebnisse mehrerer Forschungsvorhaben zur Dauerhaftigkeit von Instandsetzungs-systemen und von Küstenbauwerken zusammengefasst und ein Einblick in die Modifizierung der neuen Regelwerke (ZTV-W) gegeben.  Von besonderer Bedeutung bei der zukünftigen Verwendung von Betonen und Mörteln in chloridhaltiger Exposition, insbesondere in der Wasserwechselzone, sind die in dem neu erarbeiteten BAW-Merkblatt „Chlorideindringwiderstand von Beton“ gemachten Vorgaben. In diesem Merkblatt sind der sogenannte Migrationsversuch ausführlich beschrieben und Anfor-derungen an Beton und Mörtel angegeben. Weiterhin sind Diagramme zur Bewertung der Ergebnisse des Migrationstests vorgestellt, mit deren Hilfe die Dauerhaftigkeit auch bei un-terschiedlichen Betondeckungen bzw. Schichtdicken (bei Instandsetzungssystemen) abge-schätzt werden kann. Die beschriebenen Veränderungen in den Regelwerken der BAW gehen einen entscheiden-den Schritt in die Richtung eines zukünftigen Bemessungskonzeptes nach dem Perfor-mance-Konzept: der Einwirkungsseite (aus chloridhaltiger Exposition) wird eine Widerstand-seite (z.B. der Chlorideindringwiderstand des Betons) gegenübergestellt und diese –ähnlich wie bereits heute bei der Tragwerksbemessung üblich- zu bemessen.    Eingangsparameterkritischer Chloridgehalt 0,60 M.-%/Z.Oberflächenkonzentration Cs 3,0 M.-%/Z.Mitteltemperatur Tist 10 °CRegressionsparameter be 4800 kAltersexponent a 0,30Übertragungsparameter 1Referenzzeitpunkt 56 dTiefenbereich Δx 0 mmBAW-Kolloquium Instandsetzung von Wasserbauwerken 20. Oktober 2004 in Hannover   Seite 54  Literatur /1/ Raupach, M., Rößler, G. ; Dauberschmidt, C.: Instandsetzung von Meerwasserbauten.  Aachen : Institut für Bauforschung, erscheint in Kürze  /2/ Gehlen, C.: Probabilistische Lebensdauermessung von Stahlbetonbauwerken : Zu-verlässigkeitsbetrachtungen zur wirksamen Vermeidung von Bewehrungskorrosion.  Berlin : Beuth. - In: Schriftenreihe des Deutschen Ausschusses für Stahlbeton (2000), Nr. 510 /3/ Raupach, M. ; Dauberschmidt, C.: Dauerhaftigkeit von Küstenbauwerken : Anforde-rungen an Diffusionskoeffizienten von Betonen.  Aachen : Institut für Bauforschung, 2004.- Forschungsbericht Nr. F 903  /4/ Bundesminister für Verkehr ; BMV ; ZTV-W: Zusätzliche Technische Vertragsbedin-gungen - Wasserbau (ZTV-W) für Schutz und Instandsetzung der Betonbauteile von Wasserbauwerken (Leistungsbereich 219) (Ausg: 1997)  - /5/ Bundesminister für Verkehr ; BMV ; ZTV-W: Zusätzliche Technische Vertragsbe-dingungen - Wasserbau (ZTV-W) für Wasserbauwerke aus Beton und Stahlbeton (Leistungsbereich 215). (Ausg: 02/2004)  - WEISSDRUCK-VORVORLAGE /6/ Bundesanstalt für Wasserbau: Chlorideindringwiderstand von Beton (Entwurf), Merk-blatt 05.2004 /7/ Tang, L.: Chloride Transport in Concrete - Measurement and Prediction.  Göteborg, Chalmers University of Technology, Diss., 1996 

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Chlorideindringwiderstand von Betonen und Mörteln

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