Geht dem jungen Beton durch Verdunstung Wasser verloren, kann dies bei Unterschreiten eines Grenzwassergehalts zur Störung der Hydratation im oberflächennahen Bereich führen. Die Folgen dieses weitestgehend irreversiblen Vorgangs sind im Vergleich zum Kernbeton schlechtere Festigkeits- und Dauerhaftigkeitseigenschaften. Bei Fahrbahndecken mit Waschbetonoberfläche werden bezüglich des Verdunstungsschutzes des jungen Betons zwei Nachbehandlungsgänge unterschieden. Die erste Nachbehandlung erfolgt nach dem Betoneinbau, indem auf die Oberfläche ein Kombinationsmittel, das aus einem Oberflächenverzögerer und einer Nachbehandlungskomponente besteht, aufgesprüht wird (1. Nachbehandlung). Nach dem Ausbürsten des Oberflächenmörtels wird die fertige Waschbetonoberfläche dann durch Aufsprühen eines Nachbehandlungsmittels vor weiterer Verdunstung geschützt (2. Nachbehandlung). Bisher fehlten Kenntnisse zum Einfluss dieser beiden Nachbehandlungsgänge auf die Dauerhaftigkeitseigenschaften des Waschbetons.

Bezüglich der ersten Nachbehandlung ergaben die Untersuchungen, dass diese die Gefügedichtigkeit des Betons beeinflusst und die Betoneigenschaften in geringem Maße verbessert werden können. Der geringe Einfluss der 1. Nachbehandlung ist darauf zurückzuführen, dass bei Waschbeton ein Teil des von der Austrocknung betroffenen Oberflächenmörtels ausgebürstet wird und dieser somit die Dauerhaftigkeit des Betons nicht mehr negativ beeinflussen kann. Hinzu kommt, dass Beton in jungem Alter im Allgemeinen noch kein dichtes Gefüge entwickelt hat und das verdunstende Wasser aus tieferen Schichten leichter nachtransportiert werden kann. Die Hydratation im oberflächennahen Bereich wird kaum gestört.

Die Untersuchungen zum Einfluss der zweiten Nachbehandlung zeigten, dass der Wasserverlust infolge Verdunstung im Rahmen der zweiten Nachbehandlung geringer als der Wasserverlust während der ersten Nachbehandlung ist. Trotz der geringeren Verdunstung ist der Einfluss der zweiten Nachbehandlung auf die Betoneigenschaften wesentlich größer. Aufgrund der fortgeschrittenen Gefügeverdichtung in diesem Alter wird die Wasserverdunstung nur begrenzt durch eine Nachlieferung aus dem Innern ausgeglichen, was zur Störung des Hydratationsverlaufs führen kann. Die Folge sind schlechtere Dauerhaftigkeitseigenschaften. Bei hoher Nachbehandlungsgüte können mit Hochofenzement Straßenbetone gleicher Dauerhaftigkeit im Vergleich zu Portlandzementbetonen hergestellt werden.

Der Fachvortrag zur Veranstaltung ist im Volltext verfügbar. Das PDF enthält alle Bilder und Formeln.

1 Einleitung

Beim Bau von Betonfahrbahndecken wird in Deutschland seit einigen Jahren bevorzugt Waschbeton als Oberbeton eingesetzt. Zur Sicherstellung einer hohen Dauerhaftigkeit gegenüber den Einwirkungen aus Verkehr und Umwelt ist die Nachbehandlung der Betonfahrbahndecken von besonderer Bedeutung. Bei Waschbetonfahrbahndecken werden im Hinblick auf den Verdunstungsschutz des jungen Betons zwei Nachbehandlungsgänge unterschieden. Die erste Nachbehandlung erfolgt im Anschluss an den Betoneinbau, indem auf die Oberfläche ein Kombinationsmittel, das aus einem Oberflächenverzögerer und einer

Nachbehandlungskomponente besteht, aufgesprüht wird. Je nach Witterung und Betonrezeptur wird der Oberflächenmörtel nach 8 bis 24 Stunden ausgebürstet und auf diese Weise das Grobkorngerüst freigelegt. Nach dem Ausbürsten erfolgt die zweite Nachbehandlung, indem ein Nachbehandlungsmittel auf die Oberfläche gesprüht wird. Am cbm der TU München wurde in einem Forschungsvorhaben unter anderem der Frage nachgegangen, welchen Einfluss beide Nachbehandlungen auf die Dauerhaftigkeitseigenschaften von Waschbetonfahrbahndecken haben (Skarabis 2011). 

2 Beton

Für die Untersuchungen wurde eine praxisübliche Waschbetonrezeptur mit Ausfallkörnung verwendet (siehe Tabelle 1). Als Zemente wurden ein CEM I 42,5 N und ein CEM III/A 42,5 N eingesetzt.

Tabelle 1: Betonrezeptur

Der Wasserzementwert betrug 0,4. Den Betonen wurde ein Luftporenbildner zugegeben, um einen Frischbetonluftporengehalt von 6,5 Vol.-% zu erzielen. Des Weiteren wurde ein Fließmittel eingesetzt, um die gewünschten Verarbeitbarkeitseigenschaften zu erreichen. Für die Untersuchungen wurden Waschbetonplatten mit L × B × H = 300 mm × 300 mm × 50 mm gemäß (TP Beton-StB 10) hergestellt. Der Beton wurde nach 16 Stunden (CEM I) bzw. 10 Stunden (CEM III) mit einer Drahtbürste ausgebürstet. Der Ausbürstzeitpunkt wurde so gewählt, dass die Texturtiefe zwischen 0,6 und 1,1 mm lag. 

3 Nachbehandlung

Zur Untersuchung des Einflusses der 1. Nachbehandlung wurden je Zementart drei Waschbetonplatten hergestellt und wie folgt nachbehandelt:

Auf die erste Platte wurde ausschließlich ein Oberflächenverzögerer (100 g/m²) aufgetragen. Dies simulierte einen nicht nachbehandelten Beton. Auf die zweite Platte wurde ebenfalls lediglich der Verzögerer aufgetragen. Im Gegensatz zur ersten Platte wurde die Probekörperschalung mit einer Glasplatte abgedeckt, was einer konservierenden Nachbehandlung durch Abdecken mit Folie in der Praxis entspricht. Die dritte Platte wurde praxisüblich nachbehandelt, indem ein Kombinationsmittel (250 g/m²) aufgetragen wurde. Anschließend lagerten alle Probekörper bei 20°C/65 % r.F.

Beim CEM-III-Beton war die Ausbürsttiefe bei Verwendung des Kombinationsmittels verglichen mit der Ausbürsttiefe bei Verwendung des reinen Verzögerers wesentlich geringer. Daher wurde beim CEM-III-Beton auf die Verwendung des Kombinationsmittels verzichtet und stattdessen ebenfalls der Verzögerer aufgetragen und der Beton bei 20°C/85 % r.F. gelagert, um eine Wasserverdunstung aus der Betonoberfläche einzustellen, die zwischen der eines nicht nachbehandelten und der eines mit Glasplatte konservierend nachbehandelten Betons lag.

Nach dem Ausbürsten erfolgte die zweite Nachbehandlung durch Auftragen von 200 g/m² Nachbehandlungsmittel (NBM) identisch für alle Betonprobekörper. Anschließend lagerten die Probekörper weiter bei 20°C/65 % r.F. Die Tabelle 2 fasst die Nachbehandlungsvarianten zur Untersuchung des Einflusses der ersten Nachbehandlung zusammen.

Tabelle 2: Nachbehandlungsmaßnahmen zur Untersuchung des Einflusses der

1.  Nachbehandlung

Zur Untersuchung des Einflusses der zweiten Nachbehandlung wurden ebenfalls je Zementart drei Waschbetonplatten hergestellt, beim CEM-I-Beton ein Kombinationsmittel bzw. beim CEM-III-Beton der Verzögerer aufgetragen und die Probekörper bis zum Ausbürsten bei 20°C/65 % r.F. (CEM I) bzw. bei 20°C/85 % r.F. (CEM III/A) gelagert. Nach dem Ausbürsten wurden die Probekörper wie folgt nachbehandelt: Als Referenz diente ein Beton ohne zweite Nachbehandlung. Als konservierende Nachbehandlung wurde die Waschbetonoberfläche für sieben Tage mit einem feuchten Jutetuch abgedeckt. Die praxisübliche Nachbehandlung bestand darin, ein Nachbehandlungsmittel (200 g/m²) aufzutragen. Die Betone lagerten anschließend bei 20°C/65 % r.F.

Die Tabelle 3 fasst die drei Nachbehandlungsvarianten zusammen.

Tabelle 3: Nachbehandlungsmaßnahmen zur Untersuchung des Einflusses der zweiten (nach dem Ausbürsten erfolgenden) Nachbehandlung 

4 Untersuchungen

Die Wirkung der Nachbehandlungsmaßnahmen wurde über die Wasserverdunstung der Proben während der Lagerung der Probekörper ermittelt. Wenn infolge Verdunstung ein Grenzwassergehalt (Kern 1998) im Beton unterschritten wird, kann dies zum Hydratationsstopp führen, dessen Folge ein Betongefüge mit erhöhter Kapillarporosität ist. Zur Beurteilung der Kapillarporosität wurde die kapillare Wasseraufnahme der Betone bestimmt. Dazu wurden aus den hergestellten Waschbetonplatten (L × B × H = 300 mm × 300 mm × 50 mm) im Alter von sieben Tagen Zylinder mit einem Durchmesser von 100 mm herausgebohrt. Anschließend lagerten die Zylinder weiter bei 20°C/65% r.F. Im Alter von 28 Tagen wurden die Zylinder bei 40°C unter Vakuum getrocknet, um einen vergleichbaren Feuchtegehalt in den Proben zu Versuchsbeginn sicherzustellen. Nach Erreichen der Gewichtskonstanz wurden die Mantelflächen mit aluminiumkaschierter Butylkautschukfolie versiegelt und die Zylinder mit der Waschbetonseite auf Abstandhalter in Leitungswasser bei 20 °C gestellt. Die Wasseraufnahme wurde über Wägung in regelmäßigen Abständen bestimmt.

Inwieweit sich eine unterschiedliche Kapillarporosität auf die Dauerhaftigkeit des Betons auswirkt, wurde anhand des Frost-Tausalz-Widerstands untersucht. Dazu wurden im Alter von sieben Tagen aus den Platten je drei Probekörper mit den Abmessungen L × B × H = 150 mm × 150 mm × 50 mm herausgesägt. Der Frost-Tausalz-Widerstand wurde in Anlehnung an das CDF-Verfahren an den Waschbetonoberflächen untersucht. Dazu wurden die Probekörper zunächst mit einer aluminiumkaschierten Butylkautschukfolie ummantelt. Im Alter von 28 Tagen (CEM I) bzw. 56 Tagen (CEM III) wurden die Probekörper zum kapillaren Saugen für sieben Tage in eine 3%ige Natriumchloridlösung gestellt. Anschließend wurden sie mit 56 (CEM I) bzw. 28 (CEM III) Frost-Tau-Wechseln beansprucht. Dabei entspricht ein Frost-Tau-Wechsel einer Abkühlung des Betons von +20°C auf -20°C und einer anschließenden Erwärmung auf +20°C. Die Dauer eines Frost-Tau-Wechsels beträgt 12 Stunden. Während der Frostbeanspruchung befand sich die Prüffläche der Probekörper ebenfalls in 3 %iger Natriumchloridlösung. In festgelegten Abständen wurde die Abwitterung der Betone bestimmt. Derzeit wird davon ausgegangen, dass 28 Frost-Tau-Wechsel in der Praxis im Ingenieurbau einem Zeitraum von mindestens 50 Jahren entsprechen (Müller 2009).

Die Verdunstung und die kapillare Wasseraufnahme wurden ausschließlich am Beton mit CEM I bestimmt. Der Frost-Tausalz-Widerstand wurde am Beton mit CEM I und CEM III/A ermittelt. 

5 Ergebnisse

Die Untersuchung zur Wasserverdunstung an der Oberfläche der Betone während der Lagerung zeigten unabhängig von der Zementart erwartungsgemäß, dass bei geringerer Nachbehandlungsgüte die Verdunstung höher ist.

Bild 1: Verdunstung der CEM-I-Betone: links: bis zum Ausbürsten nach 16 Stunden (1. Nachbehandlung), rechts: nach dem Ausbürsten für die Dauer von drei Tagen

Die bis zum Ausbürsten verdunstende Wassermenge ist dabei deutlich größer als die Wassermenge, die im gleichen Zeitraum nach dem Ausbürsten verdunstet. Dies ist damit begründet, dass der Beton nach der Herstellung noch als Suspension vorliegt, so dass die Wasserverdunstung vergleichbar zu der einer freien Wasseroberfläche erfolgen kann (Nischer 1976). Mit zunehmendem Alter verdichtet sich das Betongefüge und Wasser aus dem Betoninneren wird nur langsam an die Oberfläche nachtransportiert.

Zum Einfluss der ersten Nachbehandlung auf den Frost-Tausalz-Widerstand stellt das Bild 2 den Verlauf der Abwitterungen der untersuchten Betone dar.

Bild 2: Einfluss der ersten Nachbehandlung: Abwitterung der untersuchten Betone

Sowohl für die CEM-I- als auch für die CEM-III-Betone ist kein Einfluss der ersten Nachbehandlung auf die Abwitterung feststellbar. Nach 28 Frost-Tau-Wechseln liegen die Abwitterungen der CEM-I-Betone im Mittel bei ca. 240 g/m². Die Abwitterungen der CEM-III-Betone sind mit im Mittel ca. 490 g/m² annähernd doppelt so hoch. Dass für die hier untersuchten Nachbehandlungsvarianten kein Einfluss der ersten Nachbehandlung auf den Frost-Tausalz-Widerstand festgestellt wurde, ist zunächst darauf zurückzuführen, dass bei Waschbeton ein Teil des von der Austrocknung betroffenen Oberflächenmörtels ausgebürstet wird und dieser somit die Dauerhaftigkeit des Betons nicht negativ beeinflusst. Da die Dauerhaftigkeitseigenschaften unterhalb dieses auszubürstenden Randbereichs bestimmt werden, sind folglich die zu erwartenden Auswirkungen der Austrocknung bei Waschbetonoberflächen geringer als beispielsweise bei Straßenbeton mit Jutetuchtextur. Hinzu kommt, dass Beton in jungem Alter noch kein dichtes Gefüge entwickelt hat und das verdunstende Wasser aus tieferen Schichten nachtransportiert werden kann (vgl. Bild 3).

Bild 3: Nachtransport von Wasser aus tieferen Schichten in jungem Beton

Die Hydratation im oberflächennahen Bereich wird folglich kaum gestört. Dies wurde auch von (Huber 2009) beobachtet, bei dessen Untersuchungen bis zum Alter von 18 Stunden bei freier Verdunstung an der Oberfläche des Betons der Gehalt des chemisch gebundenen Wassers konstant blieb.

Die erste Nachbehandlung ist dennoch für die Dauerhaftigkeit des Waschbetons von Bedeutung, da die Praxis zeigt, dass eine geringe Güte der ersten Nachbehandlung zu einer Rissbildung infolge Frühschwindens insbesondere im stärker austrocknenden Randbereich führen kann.

Zum Einfluss der zweiten Nachbehandlung auf den Frost-Tausalz-Widerstand stellt das Bild 4 den Verlauf der Abwitterungen der untersuchten Betone dar.

Bild 4: Einfluss der zweiten Nachbehandlung: Abwitterung der untersuchten Betone

Beim CEM-I- und beim CEM-III-Beton ist ein deutlicher Einfluss der zweiten Nachbehandlung auf den Frost-Tausalz-Widerstand feststellbar. Mit abnehmender Güte der Nachbehandlung sind die Abwitterungen höher. Beim CEM-I-Beton betragen nach 28 Frost-Tau-Wechseln die Abwitterungen des nicht nachbehandelten Betons mit 357 g/m² das 2-fache der Abwitterung des Betons, der mit einem feuchten Jutetuch abgedeckt war. Nach 56 Frost-Tau-Wechseln nimmt dieser Unterschied noch zu, so dass die Abwitterungen des nicht nachbehandelten Betons mit 1040 g/m² das 2,6-fache der Abwitterung des Betons, der mit einem feuchten Jutetuch abgedeckt war, betragen. Erwartungsgemäß verlaufen die Abwitterungen des Betons, auf den ein Nachbehandlungsmittel aufgetragen wurde, zwischen denen der beiden anderen Betone. Wesentlich stärker beeinflusst die zweite Nachbehandlung den Frost-Tausalz-Widerstand des CEM-III-Betons. Hier betragen nach 28 Frost-Tau-Wechseln die Abwitterungen des nicht nachbehandelten Betons mit 1000 g/m² das 4,6-fache von denen des Betons, der mit einem feuchten Jutetuch abgedeckt war.

Im Bild 5 sind die Abwitterungen des CEM-I-Betons und des CEM-III-Beton nach 28 Frost-Tau-Wechseln in Abhängigkeit der zweiten Nachbehandlung gegenübergestellt.

Bild 5: Abwitterung des CEM-I- und des CEM-III-Betons nach 28 Frost-Tau-Wechseln in Abhängigkeit der zweiten Nachbehandlung

Der Vergleich der Abwitterungen zeigt, dass bei geringer Nachbehandlungsgüte die Abwitterungen des CEM-III-Betons wesentlich höher als die des CEM-I-Betons sind, was mit der höheren Nachbehandlungsempfindlichkeit des CEM-III-Betons begründet ist. Auch bei praxisüblicher Nachbehandlung (NBM) können CEM-III-Betone als frost-tausalzbeständig angesehen werden. Bei Abdeckung mit einem feuchten Jutetuch sind dann die Abwitterungen beider Betone vergleichbar niedrig.

Trotz der im Vergleich zur ersten Nachbehandlung niedrigeren Wasserverdunstung an der Betonoberfläche ist der Einfluss der zweiten Nachbehandlung auf den Frost-Tausalz-Widerstand wesentlich größer. Das Betongefüge ist infolge der fortgeschrittenen Hydratation zunehmend verdichtet, so dass die Wasserverdunstung nur begrenzt durch eine Nachlieferung aus dem Inneren ausgeglichen werden kann.

Bild 6: Hydratationsstopp im oberflächennahen Bereich infolge mangelnder

2. Nachbehandlung

Die Hydratation an der Oberfläche kommt zum Erliegen. Die Folge ist eine erhöhte Kapillarporosität, was zu einem geringeren Frost-Tausalz-Widerstand führt. Aufgrund der langsameren Festigkeitsentwicklung wirkt sich die Austrocknung beim CEM-III-Beton stärker als beim CEM-I-Beton aus. 

6 Zusammenfassung

Aus den durchgeführten Untersuchungen lässt sich für die Praxis ableiten, dass die Nachbehandlung nach dem Ausbürsten den Frost-Tausalz-Widerstand des Waschbetons stärker beeinflusst als die Nachbehandlung nach dem Betoneinbau.

Bei hoher Nachbehandlungsgüte können mit CEM-III-Betonen im Vergleich zu CEM-I-Betonen Fahrbahndecken gleicher Dauerhaftigkeit hergestellt werden. 

7 Literaturverzeichnis

Huber, J. (2009): Zur Nachbehandlung von Beton – Auswirkungen des Wasserverlustes durch Evaporation in jungem Alter am Beispiel von Straßenbeton. Dissertation, München

Müller, H. S.; Guse, U. (2009): Übertragbarkeit von Frost-Laborprüfungen auf Praxisverhältnisse. beton, 12/2009, Verlag Bau und Technik, Düsseldorf, S. 570–572

Nischer, P. (1976): Austrocknen von jungem Beton, Teil 2. Betonwerk- und Fertigteil-Technik. Heft 4/1976, Bauverlag BV, Gütersloh

Skarabis, J.; Gehlen, C. (2011): Nachbehandlung von Waschbetonoberflächen. Heft 1052 der Schriftenreihe Forschung Straßenbau und Straßenverkehrstechnik. Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung, Bonn

Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (2010): Technische Prüfvorschriften für Tragschichten mit hydraulischen Bindemitteln und Fahrbahndecken aus Beton (TP Beton-StB 07). Köln, FGSV 892

Kern, R. (1998): Der Einfluss der Austrocknung auf die Wasserbindung und Eigenschaften des Betons. Dissertation, Darmstadt