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Frostschaden - Grundlagen und Prüfung

Setzer, M.J.

Die Frost-Tauwechsel-Belastung eines porösen Materials wie Beton wirkt wie eine Frostpumpe, durch die das Material zunehmend gesättigt wird. Basis sind das mechanische (Druckunterschiede) und das chemische (thermodynamisches Gleichgewicht) Stabilitätskriterium, die es ermöglichen, dass Wasser in allen drei Aggregatzuständen gleichzeitig in stabilen Phasen existiert. Es entsteht ein Dreiphasengleichgewicht zwischen ungefrorenem Gelporenwasser, Mikroeislinsen und Wasserdampf bis in große Tiefen des Steins. Selbst weit unter dem Gefrierpunkt sind erhebliche Mengen Porenwasser ungefroren, wenn genügend Unterdruck herrscht. Dadurch entstehen ein Gefrierschwinden und ein Transport von Gelporenwasser an die Mikroeislinsen beim Abkühlen. Beim Auftauen wird weiteres Wasser oder gar Taumittellösung von außen eingesaugt. Ist eine Schädigungssättigung erreicht, wird der Beton in wenigen Frost-Tauwechseln zerstört. Die Frostpumpe hängt entscheidend vom Nanogefüge des Zementsteins und seiner Porenverteilung ab. Vor allen die Gefügedichte und die Menge an Porenraum für Mikroeislinsen ist entscheidend. Bei Laboruntersuchungen müssen die Vorgänge im Nanogefüge entsprechend berücksichtigt werden. Zwei Prüfverfahren, die einen schnellen und automatisierten Test ermöglichen, sind der CDF-Test (Capillary Suction of Deiceing Chemicals and Freeze and Thaw Test) sowie der CIF Test (Capillary Suction, Internal Damage and Freeze-thaw Test) sind so konzipiert, dass ein einachsiger Wärme- und Feuchtetransport über eine Beanspruchungsfläche gewährleistet ist. Es zeigt sich aber, dass eine stärkere Differenzierung nach der Feuchte der Umgebung nötig ist. Zudem müssen die neuen Zusatzstoffe und Materialzusammensetzungen umfangreichen Untersuchungen unterzogen werden. Die verschiedenen Prüfverfahren zeigen dabei häufig sehr unterschiedliche und wenig praxiskonforme Ergebnisse, weshalb eine sorgfältige Analyse der Randbedingungen erfolgen muss.