Einfluss von Rissen in hydrophobiertem Beton auf den kapillaren Wassertransport

Einfluss von Rissen in hydrophobiertem Beton auf den

kapillaren Wassertransport

Zusammenfassung

D a s H y d r o p h o b i e r e n von S t a h l b e t o n hat sich als w i r k u n g s v o l l e O b e r f l ä -c h e n s -c h u t z m a s s n a h m e g e g e n ü b e r e i n e r k a p i l l a r e n W a s s e r a u f n a h m e u n d e i n e m T a u s a l z a n g r i f f in d e r P r a x i s d u r c h g e s e t z t . D a s E n t s t e h e n von R i s s e n ist auch in e i n e m h y d r o p h o b i e r t e n B e t o n nicht v o l l s t ä n d i g a u s z u s c h l i e s s e n u n d k a n n d e s h a l b zu S c h ä d e n f ü h r e n . In A u f s a u g v e r s u c h e n an L a b o r p r o b e k ö r p e r n w e r d e n d i e m a s s -g e b e n d e n E i n f l ü s s e von Rissen auf d a s A u f s a u -g v e r h a l t e n von W a s s e r b e s t i m m t u n d quantifiziert. D i e e x p e r i m e n t e l l e n E r g e b n i s s e z e i g e n , d a s s d i e k a p i l l a r e Was-s e r a u f n a h m e von d e r R i Was-s Was-s w e i t e u n d d e r H y d r o p h o b i e r u n g Was-s t i e f e a b h ä n g i g iWas-st. E Was-s existiert e i n e „ k r i t i s c h e " R i s s w e i t e in A b h ä n g i g k e i t von d e r H y d r o p h o b i e r u n g s -tiefe, w e l c h e zu e i n e m partiellen Versagen d e r h y d r o p h o b i e r e n d e n W i r k u n g f ü h r t .

Stichwörter: Hydrophobierung, kapillares Saugen, kritische Rissweite, Dauerhaftigkeit

Influence of cracks in water repellent concrete on capillary water movement

Abstract

In practice, hydrophobing impregnation has been established as an effective sur-face protection system against water and de-icing salt attack. Cracks in concrete,

whether impregnated by a hydrophobing treatment or not, are unavoidable and can therefore lead to damage. In absorption tests on laboratory samples, the signi-ficant influences of cracks on the penetration behaviour of capillary water have

P. Lunk und F.H. Wittmann

been determined and quantified. The experimental results show that the water uptake depends on the craclc width and the penetration depth of the hydrophobing agent. There exists a 'critical' crack width depending on the penetration depth of the hydrophobing agent which can maintain the hydrophobing behaviour. Finally practical conclusions of the present work are drawn.

Keywords: Hydrophobing treatment, capillary suction, critical crack width, durability

Dr. P. L u n k , S t u d i u m d e s B a u i n g e n i c u r w c s e n s an d e r T U B r a u n s c h w c i g . Von 1988 bis 1994 w i s s e n s c h a f t l i c h e r M i t a r b e i t e r a m Institut f ü r B a u s t o f f e der E T H Z ü r i c h . Von 1994 bis 1995 P r o j e k t l c i t e r in e i n e m I n g e n i e u r b ü r o . Seit 1995 M i t a r b e i t e r d e r M B T ( S c h w e i z ) AG, seit 1998 als G e s c h ä f t s f ü h -rer. 1997 P r o m o t i o n an d e r A b t e i l u n g f ü r B a u i n g c n i e u r w e s e n E T H Zürich. Er b e f a s s t sich v o r w i e g e n d mit F r a g e n d e r B e t o n t c c h n o l o g i e s o w i e mit Fra-gen zu B a u t e n s c h u t z und I n s t a n d s e t z u n g .

Prof. Dr. F.H. W i t t m a n n , W T A - M i t g l i e d , studierte z u n ä c h s t an den Uni-versitäten K a r l s r u h e und M ü n c h e n P h y s i k , 1969 habilitierte er bei Prof. H. R ü s c h an d e r T U M ü n c h e n . Seit 1 9 7 6 ist er o r d e n t l i c h e r P r o f e s s o r f ü r W e r k s t o f f e des B a u w e s e n s , zuerst in D e l f t , dann in L a u s a n n e und heute an der E T H in Zürich. Er b e f a s s t sich v o r w i e g e n d mit Fragen der D a u e r h a f t i g -keit z e m e n t g e b u n d e n e r W e r k s t o f f e u n d d e r A n w e n d u n g d e r B r u c h m e c h a n i k im B a u w e s e n .

1 Einleitung

Das Hydrophobieren von exponierten Stahlbetonbauteilen hat sich in der Praxis in

den letzten Jahren als eigenständige Oberflächenschutzmassnahme gegenüber dem

Eindringen von Tausalz bewährt, Der Einfluis einer Hydrophobierung auf das

Ein-dringen von Chloriden in Beton wurde in einer Reihe von Untersuchungen

darge-legt [1=6]. Wittmann und Müller [6] haben in einer Bestandsaufnahme an 28

hydrophobierten Objekten die Wirksamkeit einer Hydrophobierung systematisch

untersucht und Massnahmen für die Praxis hinsichtlich einer Verbesserung der

Langzeitbeständigkeit einer Hydrophobierung formuliert. Anforderungen an eine

Hydrophobierung sind in unterschiedlichen nationalen und internationalen

Nor-men festgelegt [7,8].

Beschädigungen oder Rissen kommt auch bei der Verwendung einer

Hydropho-bierung eine besondere Bedeutung zu. Schmidt [9] berichtet über das erfolgreiche

Inaktivieren der Saugfähigkeit von Trennrissen an Galerien und Brückenstützen

durch Hydrophobieren der Risse. Es gibt nur wenige Untersuchungen über Risse im

oberflächennahen Bereich eines hydrophobierten Bauteiles [10-12]. Franke und

Bentrup [10] haben dabei den Hinfiuss von Rissen auf die Schlagregensicherheit bei

einem hydrophobierten Mauerwerk untersucht. Sie fanden, dass die

hydropho-bierende Wirkung erhalten bleibt, wenn die Rissweiten 0.2 mm bis 0.5 mm über die

gesamte Nutzungsdauer nicht überschreiten.

In diesem Bericht werden neue Untersuchungen zum Aufsaugverhalten von

hydrophobiertem, gerissenen Stahlbeton vorgestellt [13,14], Der Einfluss von

Ris-sen in hydrophobiertem Beton wurde nach der folgenden Fragestellung untersucht:

• Existiert eine „kritische" Rissweite bei hydrophobiertem Beton, die,

wenn sie überschritten wird, zu einem partiellen Versagen der

hydropho-bierenden Wirkung führt und damit die Dauerhaftigkeit des Betons

ver-ringert?

2 Experimentelle Untersuchungen

Die Untersuchungen wurden an bewehrten Betonproben mit Rissen durchgeführt.

Dabei wurde ein Standardbeton mit Portlandzement als Bindemittel und einem

w/z-Wert von 0.50 verwendet (Tabelle 1). Es wurden Balken mit Stahlschlaufen

Tabelle 1: Zusammensetzung des Standardbetons

w/z-Wert Zementgehalt Wassergehalt Zuschlagsaehalt

[•] [kg/m

] [kg/m

]

[kg/m

]

0.50 350 " " 175 = 1887

P. Lunk und F.H. Witlmann

h e r g e s t e l l t , die nach 2 T a g e n a u s g e s c h a l t und bis z u m 7. Tag mit n a s s e n J u t e s ä c k e n u n d F o l i e n a b g e d e c k t w u r d e n . A n s c h l i e s s e n d w u r d e n sie im S c h e i b e n mit den A b m e s s u n g e n 50-300-150 m m g e s c h n i t t e n u n d l a g e r t e n d a n a c h b i s z u m 28. Tag im K l i m a 2 0 ° C / 7 0 % r.F. g e l a g e r t .

J e d e S c h e i b e mit den A b m e s s u n g e n von 5 0 - 3 0 0 - 1 5 0 m m3 w a r b e w e h r t mit einer S t a h l s c h l a u f e , B e t o n s t a h l S 5 0 0 b , 0 = 6 m m . 6 W o c h e n nach d e m H e r s t e l l e n d e r P r o b e n w u r d e e i n e g e s c h a l t e B e t o n o b e r f l ä c h e 3 0 0 - 5 0 m m h y d r o p h o b i e r t . Dabei w u r d e n 3 u n t e r s c h i e d l i c h e H y d r o p h o b i e r u n g s m i t t e l e i n g e s e t z t . D e r A u f t r a g e r f o l g t e dreimal n a s s - i n - n a s s ( K o n t a k t z e i t 3-1 M i n u t e ) . Z u m A u s r e a g i e r e n d e r W i r k s t o f f s u b s t a n z e n lagerten die P r o b e n f ü r w e i t e r e 2 8 Tage i m K l i m a 2 0 ° C / 7 0 % r.F. D i e E i g e n s c h a f t e n d e r v e r w e n d e t e n H y d r o p h o b i e r u n g s m i t t e l sind in T a b e l l e 2 a u f g e f ü h r t . D i e h y d r o p h o b i e r t e n B e t o n s c h e i b e n w u r d e n in einer e l e k t r o m e c h a n i s c h e n P r ü f m a s c h i n e e i n g e b a u t . D a n a c h w u r d e ein D r e i p u n k t B i e g e z u g V e r s u c h d u r c h g e -f ü h r t . D a b e i w u r d e n die P r o b e k ö r p e r in d e r h y d r o p h o b i e r t e n O b e r -f l ä c h e vorsichtig a n g e r i s s e n , u m n u r e i n e n R i s s in d e r h y d r o p h o b i e r t e n O b e r f l ä c h e zu e r z e u g e n . A n s c h l i e s s e n d w u r d e d i e P r o b e entlastet u n d d i e v e r b l e i b e n d e R i s s w e i t e w u r d e f e s t g e h a l t e n . An den b e i d e n S e i t e n f l ä c h e n d e s P r o b e k ö r p e r w u r d e n d a n a c h ü b e r d e m R i s s induktive W e g a u f n e h m e r a m Z u g r a n d d e r P r o b e u n d in d e r E b e n e d e r B e w e h r u n g befestigt. D u r c h z y k l i s c h e B e l a s t u n g und E n t l a s t u n g w u r d e die g e w ü n s c h t e R i s s w e i t e u n t e r B e r ü c k s i c h t i g u n g d e r R i s s w e i t e a u s d e r V o r b e l a s t u n g e i n g e s t e l l t . E i n e detaillierte B e s c h r e i b u n g d e r P r o b e n v o r b e r e i t u n g ist in [13] gege-b e n .

U m den Einfluss von R i s s e n auf d a s A u f s a u g v e r h a l t e n zu u n t e r s u c h e n , w u r d e n S t a n d a r d a u f s a u g v e r s u c h e d u r c h g e f ü h r t . D a z u w u r d e n die B e t o n s c h e i b e n n o c h m a l s z u g e s c h n i t t e n . Die A u f s a u g f l ä c h e w a r 5 0 2 0 0 m m . Die E i n d r i n g t i e f e d e s H y d r o -p h o b i e r u n g s m i t t e l s w u r d e an d e n a b g e s c h n i t t e n e n B e t o n s t ü c k e n b e s t i m m t . D a z u w u r d e n d i e a b g e s c h n i t t e n e n B e t o n s t ü c k e 2 4 S t u n d e n g e t r o c k n e t , a n s c h l i e s s e n d w u r d e n d i e S c h n i t t f l ä c h e n mit W a s s e r b e s p r ü h t . D i e h y d r o p h o b i e r t e T e i l f l ä c h e d e r S c h n i t t f l ä c h e zeichnet sich d a b e i hell a b , w ä h r e n d die w a s s e r a u f n e h m e n d e Teilflä-c h e d e r S Teilflä-c h n i t t f l ä Teilflä-c h e d u n k e l e r s Teilflä-c h e i n t . D e r h e l l e B e r e i Teilflä-c h w u r d e o p t i s Teilflä-c h f ü r b e i d e

Tabelle 2: Eigenschaften der verwendeten Hydrophobierungsmittels

Wirkstoff des Hydrophobie- Aktiver Wirkstoff- Mittlere

Eindring-Nr. rungsmittels gehalt tiefe s

[-] [-]

[%]

1 Siloxan 7,5 2,5

2 Silan 40 5,0

Betonstahl

S500b, 0 = 6 mm

Abbildung 1: Schematische Darstellung der Abmessungen des bewehrten Probekörpers

Schnittflächen vermessen und der Mittelwert aus den Teilergebnissen gebildet. In Abbildung l sind die Abmessungen des bewehrten Probekörpers schematisch dar-gestellt.

Nach der Probenvorbereitung wurden alle Flächen der Probe mit Ausnahme der hydrophobierten Oberfläche und der ihr gegenüberliegenden Fläche zweimalig mit Zwei-Komponenten-Epoxidharz beschichtet. Damit wurde ein vorwiegend eindi-mensionaler Wassertransport gewährleistet und eine Verdunstung über die Seiten-flächen verhindert. Die Standardaufsaugversuche wurden während 24 Stunden durchgeführt. Die Probekörper wurden dabei 2 mm tief in Leitungswasser einge-taucht. Die Wasseraufnahme wurde gravimetrisch als Funktion der Zeit an drei Par-allelproben kontinuierlich bestimmt. Dazu wurde ein Prüfstand entwickelt, mit dem eine computerunterstützte Messdatenerfassung möglich wurde. Während der gesamten Versuchsdauer von 24 Stunden wurden 60 Messwerte aufgenommen. Eine detaillierte Beschreibung der Messtechnik ist in [15] gegeben.

3 Ergebnisse

Der Einfluss der Rissweite auf den kapillaren Wassertransport wurde an hydropho-biertem Standardbeton mit „realen" Biegerissen untersucht. Dazu wurden geris-sene, hydrophobierte Betonproben mit Rissweiten von 0.2 mm, 0.4 mm und 0.8 mm hergestellt. Die Risstiefe betrug bei allen untersuchten Betonproben zwischen 130 mm und 150 mm. Die Eindringtiefe des Hydrophobierungsmittels betrug 2.5 mm, 5.0 mm und 7.5 mm. In den Abbildungen 2 - 4 sind die Ergebnisse der Mas-senzunahme als Funktion der Zeit im Wurzelmassstab für die hydrophobierten Betone mit Rissen sowie für den ungerissenen Zustand dargestellt. Die

Massen-P. Lunk und F.H. Wittmann 2.0 - ö • - w = 0 . 8 mm - - 'S " - w=0.4 mm -• -A- • • w=0.2 mm C*J 1.5 - ungerissen D) Ol E sz ro c ro ; CD </) </) CÖ 1.0 0 . 5 " ö •ö o p

.0

p

Zeit [h]

16

Abbildung 2: Wasseraufnahme als Funktion der Zeit für hydrophobierten Beton mit Bie-gerissen unterschiedlicher Rissweite und für unBie-gerissenen, hydrophobier-ten Beton; Eindringtiefe des Hydrophobierungsmittels s = 2.5 mm

z u n a h m e n w u r d e dabei auf d i e G r u n d f l ä c h e d e r P r o b e k ö r p e r b e z o g e n . D i e e i n z e l -nen M e s s w e r t e sind d a b e i M i t t e l w e r t e a u s 3 M e s s u n g e n u n d w e r d e n d u r c h unters c h i e d l i c h e S y m b o l e d a r g e unters t e l l t . D i e g e p u n k t e t e L i n i e wird d u r c h l i n e a r e R e g r e unters -sion d e r M e s s p u n k t e g e m ä s s D I N 5 2 6 1 7 [16] b e r e c h n e t . D i e e x p e r i m e n t e l l e n E r g e b n i s s e z e i g e n , d a s s d i e k a p i l l a r e W a s s e r a u f n a h m e von d e r R i s s w e i t e u n d d e r E i n d r i n g t i e f e d e s H y d r o p h o b i e r u n g s m i t t e l s a b h ä n g i g ist. G r u n d s ä t z l i c h wird e i n e g r ö s s e r e W a s s e r a u f n a h m e mit z u n e h m e n d e r R i s s w e i t e u n d a b n e h m e n d e r E i n d r i n g t i e f e d e s H y d r o p h o b i e r u n g s m i t t e l s b e o b a c h t e t . Bei gerissen e m , h y d r o p h o b i e r t e gerissen B e t o gerissen mit R i s s w e i t e gerissen w > 0 . 2 m m u gerissen d mit e i gerissen e r H y d r o -p h o b i e r u n g s t i e f e von 2 . 5 m m wird e i n e d r a s t i s c h e Z u n a h m e d e r W a s s e r a u f n a h m e i m Vergleich z u m u n g e r i s s e n e n , h y d r o p h o b i e r t e n B e t o n f e s t g e s t e l l t . D i e Wasser-a u f n Wasser-a h m e d e s h y d r o p h o b i e r t e n B e t o n s mit e i n e r R i s s w e i t e von 0 . 8 m m ist ver-g l e i c h b a r mit d e m e n t s p r e c h e n d e n u n h y d r o p h o b i e r t e n u n d u n ver-g e r i s s e n e n B e t o n . Bei e i n e r E i n d r i n g t i e f e d e s H y d r o p h o b i e r u n g s m i t t e l s von 7.5 m m ist ü b e r e i n e n Zeit-r a u m von 2 4 S t u n d e n kein s i g n i f i k a n t e Zeit-r E i n f l u s s auf d i e W a s s e Zeit-r a u f n a h m e von Bie-g e r i s s e n mit R i s s w e i t e n von 0 . 2 - 0 . 8 m m Bie-g e Bie-g e n ü b e r u n Bie-g e r i s s e n e m B e t o n feststellbar. Ein ä h n l i c h e r S a c h v e r h a l t wird a u c h f ü r e i n e E i n d r i n g t i e f e d e s H y d r o p h o b i e -r u n g s m i t t e l s von 5.0 m m b e o b a c h t e t . B i s zu e i n e -r R i s s w e i t e von 0 . 4 m m wi-rd a u c h h i e r b e i kein s i g n i f i k a n t e r E i n f l u s s auf die W a s s e r a u f n a h m e f e s t g e s t e l l t .

0.5 0.4 i r ät-E 15) (D E .c ra c a3 0) 05 CS

- o -

— Ä--

Abbildung 3: Wasseraufnahme als Funktion der Zeit für hydrophobierten Beton mit

Bie-gerissen unterschiedlicher Rissweite und für unBie-gerissenen, hydrophobier-ten Beton; Eindringtiefe des Hydrophobierungsmittels s=7.5 mm

In Tabelle 3 ist der Wasseraufnahmekoeffizient A für einen hydrophobierten Standardbeton mit unterschiedlichen Eindringtiefen des Hydrophobierungsmittels sowie unterschiedlichen Rissweiten aufgeführt. Die Berechnung des Wasserauf-nahmekoeffizienten A erfolgt mit den Ergebnissen der M a s s e n z u n a h m e (Abbildung 2 - 4 ) . Die Ergebnisse sind in der 3. Spalte in Tabelle 3 a u f g e f ü h r t .

4 Diskussion

Es zeigt sich, dass das Aufsaugverhalten von hydrophobiertem Beton mit Rissen massgebend von der Rissweite und der Eindringtiefe des Hydrophobierungsmitteis beeinflusst wird. In Abbildung 5 und 6 ist der Wasseraufnahmekoeffizient A als Funktion der Rissweite w und der Eindringtiefe des Hydrophobierungsmittels s dargestellt. Für die mathematische Abhängigkeit des Transportkoeffizienten von der Rissweite und der Eindringtiefe des Hydrophobierungsmittels wird ein Exponentialgesetz in einer ersten N ä h e r u n g zugrunde gelegt.

P. Lunk und F.H. Wittmann 0.4

_

i

Abbildung 4: Wasseraufnahme als Funktion der Zeit für hydrophobierten Beton mit

Bie-gerissen unterschiedlicher Rissweite und für unBie-gerissenen, hydrophobier-ten Beton; Eindringtiefe des Hydrophobierungsmittels s = 5.0 mm

Tabelle 3: Zusammenstellung der Wasseraufnahmekoeffizienten für einen

hydrophobier-ten Standardbeton mit unterschiedlichen Eindringtiefen des Hydrophobie-rungsmittels sowie unterschiedlichen Rissweiten

Eindringtiefe des

Hydrophobierungs-mittels s [mm]

Rissweite des

Biege-risses am äusseren

Rand w [mm]

Wasseraufnahme-koeffizient A

•3g. < C o jEÜ "5 o j c CD E j c : CO c 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.050 0.0 o s=2.5 mm u s=5.0 mm a s=7.5 mm Grenzwert nach j DIN 18550 • A=A *exp(m*w) O . h y d '

,

Abbildung 5: Wasseraufnahmekoeffizient als Funktion der Rissweite für hydrophobierten

Beton mit unterschiedlichen Hydrophobierungstiefen

Es gilt:

A = A _O.hyd.

A- A

(1)

(2)

1 O.hyd. T v^Riss ^O.hyd.

D a b e i ist in Gl. (1) A0hyd der W a s s e r a u f n a h m e k o e f f i z i e n t d e s ungerissenen, hydrophobierten Betons, m ein A b w e i c h u n g s k o e f f i z i e n t und in Gl. (2) AR i s s der W a s s e r a u f n a h m e k o e f f i z i e n t des gerissenen, nicht h y d r o p h o b i e r t e n Betons, n ein A b w e i c h u n g s k o e f f i z i e n t . Zusätzlich ist der G r e n z w e r t f ü r den Wasserauf-nahmekoeffizienten g e m ä s s D I N 18550 [17] eingezeichnet. Anstrichstoffe mit e i n e m W a s s e r a u f n a h m e k o e f f i z i e n t e n A < 0.1 k g / ( m2 h0 5) w e r d e n als wasserun-durchlässig eingestuft.

A u s den Ergebnissen wird ersichtlich, d a s s bei geringen Eindringtiefen des H y d r o p h o b i e r u n g s m i t t e l s und bei grossen Rissweiten d i e ursprüngliche Schutz-f u n k t i o n einer H y d r o p h o b i e r u n g g e g e n ü b e r d e m Eindringen von Wasser nicht m e h r gegeben ist. Ü b e r den betrachteten Z e i t r a u m von 24 S t u n d e n ist d e m n a c h eine Ein-dringtiefe des H y d r o p h o b i e r u n g s m i t t e i s von s = 2.5 m m bei Rissen im Beton nicht ausreichend, u m langfristig eine Wasserinfiltration zu verhindern. Beton mit gros-sen Rissweiten von w = 0.8 m m in e i n e r h y d r o p h o b i e r t e n Betonoberfläche kann u n a b h ä n g i g von d e r E i n d r i n g t i e f e d e s H y d r o p h o b i e r u n g s m i t t e l s d a u e r h a f t einer

P. Lunk und F.H. Wittmann I ' ' ' • i ' ' ' ' I ' • ! ' ' ' " " ! "T"'~ o w=0.8 m m j - Q - w = 0 . 4 m m l A w = 0 . 2 m m j A = A +(A - A )*exp(-n*s) O . h y d v R i s s O . h y d ' Grenzwert nach -; "-; - . . [ DIN 18550 „ . „ i - V . ^ ' v ' - n v i v l ^ 0 1 2 3 4 5 6 7 8

Eindringtiefe des Hydrophobierungsmittels s [mm]

Abbildung 6: Wasseraufnahmekoeffizient als Funktion der Eindringtiefe des

Hydropho-bierungsmittels für Beton mit Biegerissen unterschiedlicher Rissweite.

k a p i l l a r e n W a s s e r a u f n a h m e nicht s t a n d h a l t e n . D e r G r e n z w e r t f ü r d e n W a s s e r a u f -n a h m e k o e f f i z i e -n t e -n vo-n A < O.l k g / ( m2 h0 5) n a c h D I N 18550 gilt d a b e i nur als g r o b e r A n h a l t s w e r t , i n s b e s o n d e r e f ü r A n s t r i c h s t o f f e . In d e r P r a x i s hat sich f ü r H y d r o p h o b i e r u n g e n ein W a s s e r a u f n a h m e k o e f f i z i e n t A = 0 . 0 5 0 k g / ( m2 h0 5) als G r e n z w e r t d u r c h g e s e t z t . W i r d d i e s e r W e r t z u g r u n d e gelegt, k a n n bei e i n e r ausrei-c h e n d e n E i n d r i n g t i e f e d e s H y d r o p h o b i e r u n g s m i t t e l s von m e h r e r e n M i l l i m e t e r n u n d bis zu e i n e r R i s s w e i t e von w < 0 . 2 m m d i e k a p i l l a r e W a s s e r a u f n a h m e a n a l o g e i n e s u n g e r i s s e n e n , h y d r o p h o b i e r t e n B e t o n s w i r k u n g s v o l l u n t e r b u n d e n w e r d e n . D i e k a p i l l a r e S a u g f ä h i g k e i t von g e r i s s e n e n B e t o n b a u t e i l e n w i r d d e m n a c h i m w e s e n t l i c h e n von d e r H y d r o p h o b i e r u n g s t i e f e s o w i e einer d a v o n a b h ä n g i g e n , „ ü b e r b r ü c k b a r e n " R i s s w e i t e b e e i n f l u s s t . In A b b i l d u n g 7 sind d i e E r g e b n i s s e d e r A b b i l d u n g e n 5 u n d 6 z u s a m m e n g e f a s s t d a r g e s t e l l t , u m d e n E i n f l u s s b e i d e r P a r a m e -ter auf d i e k a p i l l a r e W a s s e r a u f n a h m e q u a n t i t a t i v zu b e s c h r e i b e n . D a z u w u r d e d e r W a s s e r a u f n a h m e k o e f f i z i e n t A als F u n k t i o n d e s Q u o t i e n t e n a u s d e r R i s s w e i t e w u n d d e r E i n d r i n g t i e f e des H y d r o p h o b i e r u n g s m i t t e l s s dargestellt. I . D U c Q) N "aj o CD E xz CO c 3 CO V— aj in (n nj 5 1.25 CT < 1.00 0.75 0.50 0.25

0.30 in o SZ CM E 0.25 < 0.20 c 0 o 0.15 o a> E CO 0.10 c ro Q) to 0.050 </) to 5 0 . 0

ungerissener, nicht hydro-phobierter Beton A=Ap -exp(8.6-w/s) Grenzwert nach DIN 18550 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 Rissweite/Eindringtiefe w/s [mm/mm]

Abbildung 7: Wasseraufnahmekoeffizient als Funktion des Quotienten aus der Rissweite und der Eindringtiefe des Hydrophobierungsmittels

F ü r die m a t h e m a t i s c h e B e s c h r e i b u n g wird e b e n f a l l s ein E x p o n e n t i a l g e s e t z in e i n e r ersten N ä h e r u n g z u g r u n d e gelegt. E s gilt:

. . 8.6' w/s

A = A0 i h y d. e W

D a b e i ist in G l . (3) A q ^ der W a s s e r a u f n a h m e k o e f f i z i e n t d e s u n g e r i s s e n e n , h y d r o p h o b i e r t e n B e t o n s u n d d e r F u n k t i o n s p a r a m e t e r 8 . 6 ein A b w e i c h u n g s k o e f f i -zient, w e l c h e r sich d u r c h R e g r e s s i o n a u s d e n e x p e r i m e n t e l l e n W e r t e n ergibt. E s zeigt sich, d a s s d a s W e r k s t o f f v e r h a l t e n m i t d i e s e m A n s a t z gut b e s c h r i e b e n w e r d e n k a n n . Z u s ä t z l i c h ist w i e d e r u m d e r G r e n z w e r t f ü r den W a s s e r a u f n a h m e k o e f f i z i e n -ten g e m ä s s D I N 1 8 5 5 0 e i n g e z e i c h n e t .

In A b b i l d u n g 8 ist d i e k a p i l l a r e W a s s e r a u f n a h m e e i n e s g e r i s s e n e n , h y d r o p h o bierten B e t o n s s c h e m a t i s c h dargestellt. D i e F e u c h t i g k e i t s a u f n a h m e von h y d r o p h o bierten P r o b e n mit R i s s e n k a n n in z w e i T r a n s p o r t m e c h a n i s m e n W a s s e r d a m p f d i f -f u s i o n u n d K a p i l l a r t r a n s p o r t - u n t e r s c h i e d e n w e r d e n . W e r d e n d i e e x p e r i m e n t e l l e n U n t e r s u c h u n g e n n ä h e r a n a l y s i e r t , k ö n n e n d a b e i drei T e i l p r o z e s s e b e o b a c h t e t w e r -d e n : • T e i l p r o z e s s 1 ( A b b i l d u n g 8, o b e n ) : D e r h y d r o p h o b i e r t e u n d g e r i s s e n e B e t o n steht in K o n t a k t mit d e r u m g e

-P. Lunk und F.H. Willmann

ueton

Abbildung 8: Schematische Darstellung der kapillaren Wasseraufnahme von gerissenem,

benden Luft. Es stellt sich ein G l e i c h g e w i c h t s f e u c h t i g k e i t s g e h a l t ein. In Abhängigkeit von der relativen L u f t f e u c h t i g k e i t bildet sich dabei ein mehrere M o l e k ü l l a g e n dicker W a s s e r f i l m auf der O b e r f l ä c h e der nicht hydrophobierten R i s s w a n d u n g e n , d.h. der "inneren" O b e r f l ä c h e n hinter der hydrophobierten Zone.

• Teilprozess 2 (Abbildung 8, Mitte):

Der hydrophobierte und gerissene B e t o n k o m m t in Kontakt mit flüssi-gem Wasser. Durch die H y d r o p h o b i e r u n g der O b e r f l ä c h e kann das Wasser nicht unmittelbar in den R i s s eindringen. D a s Wasser auf der Oberfläche verursacht j e d o c h einen v e n n e h r t e n W a s s e r d a m p f t r a n s p o r t , welcher zu einer grösseren K o n d e n s a t i o n und damit Wasserbelegung hinter der hydrophobierten Z o n e f ü h r t . Mit z u n e h m e n d e r Zeit wird die M e n g e des angelagerten Wassers g r ö s s e r und es bildet sich ein geschlos-sener Wasserfilm hinter der h y d r o p h o b i e r t e n Z o n e aus.

• Teilprozess 3 ( A b b i l d u n g 8, unten):

Der geschlossene Wasserfilm hinter d e r hydrophobierten Z o n e wächst weiter und dehnt sich in Richtung d e r B e t o n o b e r f l ä c h e aus. In Abhän-gigkeit von der Eindringtiefe des H y d r o p h o b i e r u n g s m i t t e l s k o m m t es dann zu e i n e m Z u s a m m e n s c h l u s s d e s Wasserfilms hinter der hydropho-bierten Z o n e und der äusseren L ö s u n g . Dabei bildet sich eine „Wasser-b r ü c k e " aus. Die s a u g f ä h i g e n , „ i n n e r e n " O„Wasser-berflächen der Risswandungen sind jetzt in d i r e k t e m Kontakt mit Wasser, wodurch das kapillare Saugen einsetzt.

5 Folgerungen

Die vorgestellten Ergebnisse sind Bestandteil eines sehr u m f a n g r e i c h e n For-schungsvorhabens z u m kapillaren Wasser- und Ionentransport in u n g e r i s s e n e m und gerissenem Beton sowie deren B e e i n f l u s s u n g durch oberflächentechnologi-sche M a s s n a h m e n . Dabei lassen sich hinsichtlich des Einflusses von Rissen auf den kapillaren Wassertransport in h y d r o p h o b i e r t e m Beton f o l g e n d e praktische Folgerungen f ü r das Planen von N e u b a u - u n d I n s t a n d s e t z u n g s m a s s n a h m e n ablei-ten:

• Risse in h y d r o p h o b i e r t e m Beton m ü s s e n hinsichtlich der kapillaren Saugfähigkeit separat betrachtet w e r d e n .

• Es existiert eine „kritische" R i s s w e i t e in A b h ä n g i g k e i t von der H y d r o p h o b i e r u n g s t i e f e , w e l c h e zu e i n e m partiellen Versagen der hydrophobierenden W i r k u n g führt. D a z u w u r d e ein f u n k t i o n a l e r Z u s a m m e n -hang zwischen d e m W a s s e r a u f n a h m e k o e f f i z i e n t e n und d e m Verhältnis aus Rissweite zu Eindringtiefe des H y d r o p h o b i e r u n g s m i t t e l s ermittelt.

P. Lunk und F.H. Wittmann

• Praxisübliche Eindringtiefen des Hydrophobierungsmittels von 2-3 mm können einen kapillaren Wasser- und Salztransport in gerissenen Beton mit Rissweiten grösser als 0.2 mm nicht langfristig und dauerhaft ver-hindern.

• Neue Hydrophobierungsmittel [18] und neue Applikationstechniken [19], welche zu Eindringtiefen des Hydrophobierungsmittels von 5-6 mm führen, sind in der Praxis insbesondere bei chloridbelasteten Betonbauteilen anzuwenden.

6 Verdankung

Die finanziellen Mittel für dieses Forschungsvorhaben wurden in dankenswerter Weise vom Bundesamt für Strassen (ASTRA), Bern, im Rahmen des Programmes zur Brückenunterhaltsforschung zur Verfügung gestellt.

7 Literatur

[1] De Vries J. and Polder R.B.: Hydrophobie Treatment of Concrete, Interna-tionale Zeitschrift für Bauinstandsetzen, 2 (1996), 145-160

[2] Hassan K.E.-G. and Cabrera, J.G.: Protection of Concrete against Chloride

Penetration using Water Repellent Surface Treatments, Internationale

Zeit-schrift für Bauinstandsetzen, 2 (1996), 161-177

[3] Giudici I, Gerdes A. und Wittmann, F.H.: Einfluss einer Hydrophobierung

auf das Eindringverhalten von Chloridlösungen in Beton, F.H. Wittmann

und A. Gerdes (Hrsg.), 4. Int. Kolloquium für Werkstoffwissenschaften und Bausanierung, Esslingen (1996), 317-334

[4] Hassan K. and Cabrera J.G.: Short and long term performance of silane

treated concrete, F.H. Wittmann, T. Siemens, and L. Verhoet (ed.), Surface

treatment of building materials with water repellent agents, Delft (1995) [5] Sasse H.R.: Hydrophobierungen., in Sachstandsbericht: Schutz und

Instand-setzung von Betonbauteilen unter Verwendung von Kunststoffen,

Schriften-reihe Deutscher Ausschuss für Stahlbeton, Heft 443, Beuth Verlag, Berlin (1994)

[6] Wittmann F. H. und Müller T.: Beständigkeit einer Hydrophobierung,

Ergeb-nisse einer Bestandsaufnahme, Eidgenössisches Departement des Innern,

Bundesamt für Strassenbau, Heft 523, Bern (1996) SIA-Norm 162/5:

Erhal-tung von Betontragwerken, Zürich (1997)

[7] ENV 1504-9:1997: Products and Systems for the Protection and Repair of

Concrete Structures - Definitions, Requirements, Quality Control and Eva-luation of Conformity - Part 9: General Principles for the Use of Products

and Systems, European Committee for Standardisation (CEN), Brüssel

(1997)

[8] Schmid M.: Erfahrungen mit Hydrophobierungen an Stahlbetonhauwerken

ausgewählte Beispiele, in A. Gerdes (Hrsg.), Hydrophobieren - Grundlagen

und Anwendung, WTA-Schriftenreihe, Heft 10 (1996), 75-98

[9] Franke L. und Bentrup, H.: E iinßuss von Rissen auf die

Schlagregensicher-heit von hydrophobiertem Mauerwerk und Prüfung der Hydrophobierbar-keit, Bautenschutz + Bausanierung, 14 (1991), 98-101 und 117-121

[10] Sandin K.: Surface Treatment with Water Repellent Agents, Proceedings of the First International Symposium on Surface Treatment of Building Materi-als with Water Repellent Agents, Delft, November 9l h and 10th, 1995

[11] Gislason R.S.: Water Repellents: Protection of Eacades of Concrete in a Wet Climate

[12] Wittmann F.H.; Lunk, R and Müller, T.: Feuchtigkeits- und lonentransport

bei gerissenen Stahlbetonbauteilen, Eidgenössisches Departement des

Innern, Bundesamt für Strassenbau, in Vorbereitung

[13] Lunk P. and Wittmann F.H.: The Behaviour of Cracks in Concrete

Struc-tures Treated with a Water Repellent Agent with Respect to Capillary Water and Salt Transport, in F.H. Wittmann (ed.), Water Repellent Treatment of

Building Materials, Adeficatio Publishers (1998), 63-75

[14] Lunk P.: Kapillares Eindringen von Wasser und Salzlösungen in Beton, [ 15] Dissertation, ETH Zürich, Building Materials Report, Nr. 8, Aedificatio

Ver-lag, Freiburg (1997)

[16] DIN 52617: Bestimmung der kapillaren Wasseraufnahme von Baustoffen, Berlin, (Mai 1987)

[17] DIN 18550: Putz, Begriffe und Anforderungen, Berlin, (Januar 1985)

[18] Hager R: The Revolution in Concrete Protection - Impregnation with

Cream, in F.H. Wittmann (ed.), Water Repellent Treatment of Building

Materials, Adeficatio Publishers (1998), 205-216

[19] Gerdes A; Meier S. and Wittmann F.H.: New Application Technology for

Water Repellent Surface Treatment, in F.H. Wittmann (ed.), Water Repellent