Frost-Widerstand

Dieser Artikel behandelt aufgrund der ähnlichen Mechanismen, Maßnahmen und Prüfungen sowohl den Frost-Widerstand als auch den Frost-Tausalz-Widerstand des Festbetons. Für den Frost-Widerstand des jungen Betons siehe Gefrierbeständigkeit.

Bauteile, die Witterungseinflüssen ausgesetzt sind, müssen einen ausreichenden Frost- und ggf. Frost-Tausalz-Widerstand aufweisen. Daraus ergeben sich Anforderungen an die Betonzusammensetzung und die Gesteinskörnung.

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

Schädigungsmechanismen
Das Porenvolumen sowie die Porengrößenverteilung im Festbeton sind wichtige Einflussgrößen für den Frost- und Frost-Tausalz-Widerstand. Da das Porenvolumen unmittelbar vom Wasserzementwert abhängt, ist auch dieser eine wichtiger Faktor.
Eis hat eine um das fünffache größere Wärmedehnzahl als Zementstein. Der Phasenübergang von Wasser zu Eis führt zu einer 9%igen Volumenzunahme, die zu einem hydraulischen Druck im Betongefüge ausübt. Stehen nicht genügend wasserfreie Poren als Ausweichräume zur Verfügung oder sind diese Poren zu weit voneinander entfernt, bauen sich Zugspannungen im Zementstein auf. Die während eines Frost-Tau-Wechsels entstehenden Druckunterschiede im Betongefüge pumpen bei einem ausreichenden Feuchteangebot weiteres Wasser von außen in noch wasserfreie Poren.
Der Einsatz von Tausalzen bzw. Taumitteln verschärft den physikalischen Angriff in den oberflächennahen Bereichen des Betons. Wird eine Tausalzsole oder Taumittellösung auf eine überfrorene Fläche aufgebracht, entzieht das gefrorene Wasser beim Wechsel des Aggregatzustands von Fest nach Flüssig zum Aufspalten der Bindung von Molekülen der Umgebung schockartig Wärmeenergie (Schmelzwärme). Dies führt zu einer Erhöhung der Spannungen u. a. 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 Korrosion der Bewehrung vergrößeren. Eine Einstufung in die Expositionsklasse XD (Deicing) ist vorzunehmen.

Anforderungen an den Beton
Frost-Widerstand setzt einen wasserundurchlässigen Beton, ausreichende Druckfestigkeit und gegen Frost widerstandfähige Gesteinskörnungen voraus. Je nach Zuordnung zu den Expositionsklassen XF1 bis XF4 werden Anforderungen gestellt an:

• Wasserzementwert
• Zementgehalt
• Druckfestigkeitsklasse
• mittleren Luftgehalt
• Gesteinskörnung

Einführen von Luftporen durch Luftporenbildner LP oder durch Zugabe von Mikrohohlkugeln verbessern den Frost-Tausalz-Widerstand erheblich. Beton der Expositionsklasse XF4 darf nur als Luftporenbeton ausgeführt werden (Ausnahme: Erdfeuchter Beton). Dabei ist aber zu berücksichtigen, dass ein hoher Luftgehalt zu einer Druckfestigkeitsminderung führt: 1 Vol.-% eingeführter Luftporen kann einen Druckfestigkeitsabfall von 1 N/mm² bis 2 N/mm² bewirken. Beton mit Widerstand gegen Frost muss mit Gesteinskörnungen hergestellt werden, die einen erhöhten Frost-Widerstand aufweisen: Gesteinskörnungen müssen bei mäßiger Durchfeuchtung des Betons (Expositionsklasse XF1) die Bedingung der Kategorie F4 (Masseverlust ≤ 4 %) und bei starker Wassersättigung des Betons z. B. in der Wasser-Wechsel-Zone von Schleusen (Expositionsklasse XF2) die Bedingung der Kategorie F2 (Masseverlust ≤2 %) erfüllen.

Der Nachweis des Frost-Tausalz-Widerstands von Gesteinskörnungen kann erfolgen entweder mit:

• der Prüfung der Magnesiumsulfats-Widerstandsfähigkeit
  • bei mäßiger Durchfeuchtung des Betons (Expositionsklasse XF2) – z.B. Betonbauteile im Spritzwasserbereich – die Bedingung der Kategorie MS25 (Masseverlust ≤ 25 %) sowie
  • bei starker Wassersättigung (Expositionsklasse XF4) die Bedingung der Kategorie MS18 (Masseverlust ≤ 18 %) oder
• einer Prüfung durch Sättigung, Gefrieren und Auftauen in einer niedrig konzentrierten Tausalzlösung (1 % NaCl) gemäß DIN EN 367-1 oder
• einer entsprechenden Prüfung gemäß DIN V 18004 am Festbeton.

Prüfung des Frost- und des Frost-Tausalz-Widerstands eines Betons
Die Prüfung des Frost- und des Frost-Tausalz-Widerstands erfolgt mit einer Zeitrafferprüfung, bei der die Prüfdauer durch Verstärkung des Angriffs verkürzt wird. Dazu werden tiefere Temperaturen und höhere Abkühlgeschwindigkeiten als in der Praxis vorgesehen. Die Ergebnisse sind daher nur bedingt auf die Praxis übertragbar. Einzuhaltende Grenzwerte sind in Normen derzeit nicht festgelegt. Jedoch wurden von der Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) im Merkblatt „Frostprüfung von Beton“ Grenzwerte für Abwitterungen und für innere Gefügeschädigungen festgelegt.

Gegenüberstellung der Frost-Prüfverfahren nach DIN CEN/TS 12390-9

Zur Bestimmung des Frost- und Frost-Tausalz-Widerstands sind in DIN CEN/TS 12390-9 drei Prüfverfahren definiert:

• Plattenprüfverfahren (Referenzverfahren)
• Würfelprüfverfahren (Alternativprüfverfahren)
• CF- und CDF-Verfahren (Alternativprüfverfahren)

In Deutschland werden, sofern eine Prüfung des Frost- bzw. Frost-Tausalz-Widerstands von Beton gefordert wird, in der Regel das CF- bzw. CDF-Verfahren (Capillary suction of (De-icing chemicals and) Freeze-thaw test) oder das CIF-Verfahren (Capillary suction, Internal damage and Freeze-thaw test) angewendet.

Literatur

• Boos, Peter; Härdtl, Rainer; Bohlmann, Eckhard: Die Prüfung des Frostwiderstands von Beton mit verschiedenen Zementarten – Vergleich von Laborergebnissen mit Praxiserfahrungen: In: Beton-Informationen 5/6-2008, S. 55
• Zement-Merkblatt B2: Gesteinskörnungen für Normalbeton
• Verein Deutscher Zementwerke e. V. (Hrsg.): Zement-Taschenbuch 51. Ausgabe. Verlag Bau+Technik GmbH, Düsseldorf 2008
• Pickhardt, Roland; Bose, Thomas; Weisner, André: Beton – Herstellung nach Norm. Arbeitshilfe für Ausbildung, Planung und Baupraxis; Verlag Bau+Technik GmbH, Erkrath 2020
• Peck, Martin; Pickhardt, Roland; Richter, Thomas: Bauteilkatalog - Planungshilfe für dauerhafte Betonbauteile. Verlag Bau+Technik GmbH, Erkrath 2016
• Bundesanstalt für Wasserbau (BAW): Merkblatt Frostprüfung von Beton (MFB) Ausgabe 2012. Karlsruhe 2012