Der Beton von Bauteilen, die Witterungseinflüssen ausgesetzt sind, muss einen ausreichenden Frost-Tausalz-Widerstand aufweisen. Dieser bezeichnet die Fähigkeit, wiederholten Frost-Tau-Wechseln in Kombination mit Tausalzeinwirkung ohne Oberflächenabwitterung oder innere Gefügeschädigung zu widerstehen. Das Porenvolumen sowie die Porengrößenverteilung im Festbeton sind wichtige Einflussgrößen, ebenso der Wasserzementwert, der das Porenvolumen unmittelbar beeinflusst.
Wie schädigt Frost-Tausalz-Angriff den Beton?
Der Phasenübergang von Wasser zu Eis führt zu einer 9%igen Volumenzunahme, die hydraulischen Druck im Betongefüge ausübt. Stehen nicht genügend wasserfreie Poren als Ausweichräume zur Verfügung oder sind diese zu weit voneinander entfernt, bauen sich Zugspannungen im Zementstein auf. Die während eines Frost-Tau-Wechsels entstehenden Druckunterschiede im Betongefüge pumpen bei ausreichendem Feuchteangebot weiteres Wasser von außen in noch wasserfreie Poren.
Der Einsatz von Tausalzen verschärft den physikalischen Angriff in den oberflächennahen Bereichen des Betons erheblich. Wird eine Tausalzsole auf eine überfrorene Fläche aufgebracht, entzieht das gefrorene Wasser beim Wechsel des Aggregatzustands von Fest nach Flüssig der Umgebung schockartig Wärmeenergie (Schmelzwärme). Dies führt zu einer Erhöhung der Spannungen unter anderem durch schichtenweises Gefrieren oder durch osmotische Drücke. Außerdem steigt bei zunehmendem Chloridgehalt der Wassersättigungsgrad in den oberflächennahen Poren an.
Prinzipiell können zwei Schädigungsarten durch Frost-Tau-Wechsel mit und ohne Tausalzeinsatz unterschieden werden: die Oberflächenabwitterung und die innere Gefügeschädigung. Unter Oberflächenabwitterung – die am häufigsten beobachtete Schadensform des Frostangriffs – wird ein fortschreitender Verlust kleiner Partikel oder dünner Schichten des Betons verstanden. Zusätzlich können durch den Einsatz der Tausalze Chloride in den Beton eingetragen werden, die die Gefahr der Bewehrungskorrosion vergrößern.
Welche Expositionsklassen gelten für Frost-Tausalz-Angriff?
Die Zuordnung zu Expositionsklassen XF erfolgt entsprechend der Wassersättigung des einzustufenden Bauteils und des Tausalzeinsatzes in dessen Umgebung:
- XF1: mäßige Wassersättigung, ohne Tausalz
- XF2: mäßige Wassersättigung, mit Tausalz
- XF3: hohe Wassersättigung, ohne Tausalz
- XF4: hohe Wassersättigung, mit Tausalz
Anforderungen an Beton und Gesteinskörnung
Frost-Widerstand setzt einen wasserundurchlässigen Beton, ausreichende Druckfestigkeit und gegen Frost widerstandsfähige Gesteinskörnungen voraus. Je nach Zuordnung zu den Expositionsklassen XF1 bis XF4 werden Anforderungen gestellt an Wasserzementwert, Zementgehalt, Druckfestigkeitsklasse, mittleren Luftgehalt sowie Gesteinskörnung.
Das Einführen von Luftporen durch Luftporenbildner LP oder durch Zugabe von Mikrohohlkugeln verbessert den Frost-Tausalz-Widerstand erheblich. Beton der Expositionsklasse XF4 darf nur als Luftporenbeton ausgeführt werden, mit Ausnahme von erdfeuchtem Beton. Dabei ist aber zu berücksichtigen, dass ein hoher Luftgehalt zu einer Druckfestigkeitsminderung führt: Ein Volumenprozent eingeführter Luftporen kann einen Druckfestigkeitsabfall von 1 N/mm² bis 2 N/mm² bewirken.
Gesteinskörnungen müssen bei mäßiger Durchfeuchtung des Betons (Expositionsklasse XF1) die Bedingung der Kategorie F4 (Masseverlust ≤ 4 %) und bei starker Wassersättigung des Betons, beispielsweise in der Wasser-Wechsel-Zone von Schleusen (Expositionsklasse XF2), die Bedingung der Kategorie F2 (Masseverlust ≤ 2 %) erfüllen.
Wie wird der Frost-Tausalz-Widerstand geprüft?
Der Nachweis des Frost-Tausalz-Widerstands von Gesteinskörnungen kann auf mehreren Wegen erfolgen: mit der Prüfung der Magnesiumsulfats-Widerstandsfähigkeit bei mäßiger Durchfeuchtung des Betons (Expositionsklasse XF2) – beispielsweise Betonbauteile im Spritzwasserbereich – die Bedingung der Kategorie MS25 (Masseverlust ≤ 25 %) sowie bei starker Wassersättigung (Expositionsklasse XF4) die Bedingung der Kategorie MS18 (Masseverlust ≤ 18 %). Alternativ ist eine Prüfung durch Sättigung, Gefrieren und Auftauen in einer niedrig konzentrierten Tausalzlösung (1 % NaCl) gemäß DIN EN 367-1 oder eine entsprechende Prüfung gemäß DIN V 18004 am Festbeton möglich.
Die Prüfung des Frost- und des Frost-Tausalz-Widerstands erfolgt mit einer Zeitrafferprüfung, bei der die Prüfdauer durch Verstärkung des Angriffs verkürzt wird. Das Porengefüge ist dabei entscheidend für die Betonqualität.
