Kurzfassung

Insbesondere in der jüngeren Vergangenheit hat sich in allen Baubereichen die Einhaltung bestimmter Frischbetoneigenschaften als nicht immer unproblematisch erwiesen. Exemplarisch genannt seien hier Probleme bei der Einstellung und Einhaltung des Luftporengehalts bei LP-Beton entlang des Transportweges zur Einbaustelle aufgrund eines unzureichenden Aufschlusses des LP-Bildners. Im Verkehrswasserbau bislang unbekannt waren allerdings Probleme mit der Mischungsstabilität von Betonen, wie sie nun in gravierender Weise bei einer aktuellen Schleusenbaumaßnahme der Wasser- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes aufgetreten sind. Die Mischungsstabilität von Betonen wird von vielen Faktoren wie beispielsweise Konsistenz, Wahl einer angemessenen Sieblinie oder ausreichendem Leimgehalt beeinflusst. Nach aktuellem Kenntnisstand muss davon ausgegangen werden, dass die Verwendung verflüssigend wirkender Zusatzmittel auf PCE-Basis einen besonderen Einfluss auf die Mischungsstabilität haben kann. Werden bei Einsatz von PCE-Fließmitteln vom Transportbetonhersteller Aspekte wie Verträglichkeit der eingesetzten Ausgangsstoffe, ausreichender Leimgehalt, Mindestmischzeiten oder Fließmitteldosierung unterhalb des Sättigungspunktes nicht in angemessener Weise berücksichtigt, können die Folgen für die Mischungsstabilität des Betons erheblich sein.

Geeignete Prüfverfahren zur umfassenden und zielsicheren Beurteilung der Mischungsstabilität von Betonen sind bislang nicht verfügbar. Vor diesem Hintergrund und angesichts der möglichen qualitativen und auch bauzeitlichen Folgen für das zu erstellende Bauwerk ist aus Gründen der vorsorgenden Qualitätssicherung eine uneingeschränkte Verwendung von PCE-Fließmitteln für die Erstellung von Verkehrswasserbauwerken zumindest so lange nicht angeraten, bis ein angemessenes Konzept zur Risikominimierung erarbeitet und realisiert worden ist.

Der BAW-Brief enthält für künftig zu erstellende Verkehrswasserbauwerke Empfehlungen zu Verwendung und Umgang mit verflüssigend wirkenden Zusatzmitteln auf PCE-Basis. Darüber hinaus werden grundsätzliche Empfehlungen zu Betonherstellung und Bauausführung gegeben, die einer zielsicheren Einhaltung der angestrebten Frischbetoneigenschaften förderlich sein sollen. Außerdem finden sich im BAW-Brief im Hinblick auf die Mischungsstabilität Hinweise zur Vorgehensweise bei aktuellen und bei bereits ausgeführten Baumaßnahmen. Wesentliche Teile der Empfehlungen werden vom Bundesminister für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI) mittels Erlass für den Geschäftsbereich der WSV verbindlich eingeführt.

1 Problemstellung und Zielsetzung

Bild 1: Entmischter "Beton" in unterschiedlicher Ausprägung im Bauteilrandbereich

Bei einer gerade fertiggestellten Schleusenbaumaßnahme der Wasser- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) wurden im Bereich der frostbeanspruchten Schleusenkammerwände massive Probleme mit der Mischungsstabilität des Betons beobachtet. An etwa 1.000 Einzelstellen an den kammerseitigen Wandflächen der Schleusenkammerwände und der Häupter wurde anstatt des erwarteten Betons minderfestes Material ohne Grobkornzuschlag angetroffen (Bild 1). Dieses Material ist teilweise so weich, dass ein Entfernen durch Kratzen mit einem metallischen Gegenstand problemlos möglich ist. In der Fläche beträgt die Ausdehnung dieser Einzelstellen mehrere Quadratdezimeter bis hin in den Quadratmeterbereich. Die Tiefe dieser minderfesten Bereiche ist unterschiedlich und reicht von wenigen Millimetern bis teilweise deutlich hinter die Bewehrung.

Bild 2: Tiefergehende minderfeste Bereiche

Neben den genannten Bereichen mit weichem Material wurden mittels Bohrkernentnahme weitere Bereiche der Betondeckung festgestellt, in denen das Material zwar deutlich fester ist, in seiner Zusammensetzung aber eher einem Mörtel als einem Beton entspricht.

In Teilbereichen erstrecken sich minderfeste Bereiche auch weiter in das Bauteilinnere hinein (Bild 2). Bei vier bislang entnommenen Vertikalbohrkernen wurden an einem Kern Zerfallserscheinungen beobachtet. Der Beton dieses Kerns konnte den Beanspruchungen aus dem Bohrverfahren anscheinend keinen ausreichenden Widerstand entgegensetzen, was in dieser Form ansonsten nur bei geringerfesten Stampfbetonbauteilen zu beobachten ist.

Bild 3: Separierung der Gesteinskörnung (links innerhalb einer Betonierlage, rechts Übergang zwischen zwei Betonier­lagen; Zustand nach Hochdruckwasserstrahlen)

Innerhalb der einzelnen Betonierlagen ist es in Teilbereichen zu einem Entmischen des Frischbetons gekommen. Hierbei sind die Grobkornanteile der Gesteinskörnung nach unten gesackt, während sich im oberen Bereich der Betonierlage eine Anreicherung von Feinstanteilen gebildet hat. In Teilbereichen sind die Betonierlagen nicht ausreichend miteinander vernadelt (Bild 3).

Hinsichtlich der tatsächlichen Bauwerkssituation im Bauteilinneren und der erdseitigen Wandoberflächen liegen bislang noch keine abschließenden Erkenntnisse vor, entsprechende Untersuchungen stehen noch aus.

Die visuell erkennbaren Problemstellen sind in etwa gleichmäßig über die gesamte Kammerwand im künftigen Wasserwechselbereich zwischen Unter- und Oberwasserstand verteilt (Bild 4). In diesem während der späteren Nutzung intensiv frostbeanspruchten Wandbereich (Expositionsklassen XC2/XF3/XM1) wurde ein Beton eingesetzt, welcher unter Verwendung eines Fließmittels auf Polycarboxylatether-Basis (PCE) und eines Luftporenbildners auf Wurzelharzbasis hergestellt worden ist. Die darunter liegenden Bauteilbereiche mit den Expositionsklassen XC2/XM1, für deren Beton das gleiche Fließmittel auf PCE-Basis, jedoch kein LP-Bildner verwendet worden ist, weisen nach bisherigem Untersuchungsstand (visuelle Begutachtung, Abklopfen im Hinblick auf minderfeste Bereiche) keine vergleichbaren Auffälligkeiten im Bereich der Betondeckung auf. Gezielte Untersuchungen im Hinblick auf eine etwaige Entmischung stehen hier aber noch aus.

Bild 4: Schadenstellenverteilung an den Kammerwänden

Das Schleusenbauwerk wurde auf Basis der ZTV-W LB 215 (2004) ausgeschrieben. Die Anforderungen an den Beton entsprechen damit im Wesentlichen denen gemäß DIN 1045-2 (2008) bzw. DAfStb (2010). Ergänzende Anforderungen gemäß ZTV-W LB 215 (2004) sind in erster Linie die Begrenzung der Hydratationswärmeentwicklung und der Druckfestigkeit nach oben hin. In Ergänzung zu ZTV-W LB 215 (2004) war statt der Mindestfestigkeitsklasse C25/30 für einen Beton mit derartiger Expositionsklassenkombination eine Mindestfestigkeitsklasse C20/25 zulässig, wobei die Anforderungen an den w/z-Wert gemäß Norm aber einzuhalten waren. Der Mindestzementgehalt bei Anrechnung von Zusatzstoffen betrug abweichend von DAfStb (2010) 270 statt 300 kg/m³. Diese ergänzenden Regelungen sind in die aktuelle ZTV-W LB 215 (2012) übernommen worden. Von der Absenkung der Mindestfestigkeitsklasse wurde im vorliegenden Fall Gebrauch gemacht, nicht aber von der ebenfalls zulässigen Absenkung des Mindestzementgehaltes von 300 auf 270 kg/m³.

Der verwendete Beton (300 kg/m³ CEM III/A 32,5 N-LH/ NA, w/z = 0,52, Größtkorn 32 mm, LP-Bildner, Zielwert für das Ausbreitmaß: 45 cm) erwies sich sowohl bei den Eignungs- und Kontrollprüfungen nach ZTV-W LB 215 (2004) als auch bei der späteren Bauausführung nach den vorliegenden Informationen als unauffällig.

Gegenüber der Eignungsprüfung wurden in der Bauausführung teilweise zwei- bis dreifach höhere LP- Bildner-Dosierungen verwendet, wobei der vom Zusatzmittelhersteller empfohlene Dosierbereich aber nach bisherigem Kenntnisstand nicht verlassen worden ist.

Die Ursachen für die beobachteten Auffälligkeiten und Schäden sind nach Auffassung der BAW auf die Verwendung eines Betons mit unzureichender Mischungsstabilität zurückzuführen. Beim Nachstellen des Betons im Labor mit von der Eignungsprüfung abweichender, aber in der Bandbreite der Bauausführung gewählter Zusatzmitteldosierung ergaben sich schon bei geringem Eintrag von Rüttelenergie eindeutige Hinweise auf eine unzureichende Mischungsstabilität. Bei diesen Untersuchungen wurde Gesteinskörnung aus der Bauzeit sowie Zement und Zusatzmittel aus gleicher Produktion wie zur Bauzeit, aber aktuellen Herstellchargen verwendet.

Die Ursachenforschung für die im vorliegenden Fall augenscheinlich unzureichende Mischungsstabilität des eingesetzten Betons ist noch nicht abgeschlossen und soll auch nicht Thema des vorliegenden Beitrags sein. Ziel dieses Beitrags ist vielmehr die Sensibilisierung für die grundsätzliche Problemstellung „Mischungsstabilität von Beton“ und das Aufzeigen kurzfristig realisierbarer Maßnahmen zur Risikominimierung bei künftigen Baumaßnahmen auf Basis des aktuellen Wissenstandes.

2 Stand der Kenntnis zur Mischungsstabilität von Betonen

2.1 Allgemeines

Die Mischungsstabilität eines Betons wird zum einen durch Ausgangsstoffe, Betonzusammensetzung sowie Herstell- und Transportprozess bis zur Übergabestelle, zum anderen durch den Weitertransport auf der Baustelle von der Übergabebis hin zur Einbaustelle und die anschließende Behandlung des Frischbetons in der Schalung bis zur Erhärtung beeinflusst. Die erstgenannten Aspekte liegen unter normativen Gesichtspunkten im Regelfall im Verantwortungsbereich des Transportbetonherstellers (Basis: DIN EN 206-1 + DIN 1045-2 + ZTV-W LB 215, Teil 2), die zweitgenannten im Verantwortungsbereich der bauausführenden Firma (Basis: DIN EN 13670 + DIN 1045-3 +ZTV-W LB 215, Teil 3). Im Hinblick auf den Bauvertrag schuldet der Auftragnehmer, also die bauausführende Firma, dem Auftraggeber ein insgesamt mangelfreies Werk.

Eine wesentliche Voraussetzung für ausreichend mischungsstabile Betone ist eine gut abgestufte Sieblinie mit angemessenem Mehlkornanteil. Dies ist bei jeder Mischungskonzeption zu berücksichtigen, wird aber angesichts beschränkter Silokapazitäten für Betonausgangsstoffe und auch vor dem Hintergrund wirtschaftlicher Zwänge keineswegs durchgängig realisiert.

Darüber hinaus haben in jüngerer Zeit die verwendeten Zusatzmittel maßgebliche Bedeutung für die Mischungsstabilität erlangt. Moderne Betone werden heute nahezu ausschließlich unter Verwendung verflüssigend wirkender Zusatzmittel (Fließmittel, Betonverflüssiger) hergestellt. Bei der Art dieser Zusatzmittel hat es in den letzten Jahren einen grundsätzlichen Wandel gegeben. Wurden bis in die 90er-Jahre des letzten Jahrhunderts im Allgemeinen Produkte auf Basis von Lignin-, Melamin- und Naphthalinsulfonat verwendet, finden sich heute am Markt überwiegend Produkte auf Basis von Polycarboxylatether (PCE). Teilweise werden auch Mischprodukte angeboten. Die Wirkungsweise dieser Zusatzmittel unterscheidet sich grundsätzlich. Während die verflüssigende Wirkung der klassischen Produkte Lignin-, Melamin- und Naphthalinsulfonat auf elektrostatischer Abstoßung beruht, bewirken PCE darüber hinaus eine sterische (räumliche) Trennung der Zementpartikel (DBC (2007), Rickert (2010), Eickschen et. al. (2010a)). Fließmittel auf PCE-Basis sind deutlich wirksamer als klassische Fließmittel auf Basis von Lignin-, Melamin- und Naphthalinsulfonat, in ihrer Anwendung aber oftmals auch erheblich sensibler.

Probleme mit der Mischungsstabilität von Beton im eingangs aufgezeigten Ausmaß sind bislang zumindest in der allgemein zugänglichen Literatur nicht bekannt geworden. Ausgenommen hiervon sind sehr weiche und hier insbesondere selbstverdichtende Betone (SVB), welche sich nur mittels hochwirksamer PCE-Fließmittel herstellen lassen.

Hinweise zur Wirkungsweise von PCE-Fließmitteln und zur Herstellung und Verwendung von Betonen mit derartigen Zusatzmitteln finden sich in DBC (2007). In diesem von der Deutschen Bauchemie e. V. herausgegebenen Papier werden die Einflüsse bestimmter Parameter, wie beispielsweise der Mischzeit oder dem Eintrag von Verdichtungsenergie auf die Mischungsstabilität von Betonen, in grundsätzlicher Form aufgezeigt. Das Papier ist nach Kenntnisstand der BAW in der Bau- praxis weitestgehend unbekannt geblieben bzw. wird bei Betonherstellung und Bauausführung kaum beachtet. Die aufgeführten Aspekte, wie beispielsweise höhere Mindestmischzeiten, haben bis heute auch keinen Eingang in die Betonnormung gefunden.

Die im Zusammenhang mit der Verwendung von PCE- Fließmitteln bekanntgewordenen Probleme bei Betonen im Industriebodenbau (Veränderung der Konsistenz bis hin zum Entmischen durch Eintrag von Energie beim Glätten der Oberflächen) dürften zur Erstellung von DBC (2011) geführt haben.

Indirekte Hinweise im Hinblick auf die Mischungsstabilität von Mörtel und Betonen finden sich, allerdings im Zusammenhang mit Sichtbeton, in VDZ (2005) und Rickert et. al. (2013). Hier erwiesen sich bei 1,5facher Überdosierung des Fließmittels, bezogen auf den Sättigungspunkt, nahezu alle Mörtel und Betone mit Fließmittel auf Melaminsulfonatbasis als „sehr robust“ gegenüber Sedimentation. Mörtel mit Fließmittel auf Naphthalinbasis zeigten ein „weniger robustes“ bis „robustes“ Verhalten. Bei Verwendung von PCE-Fließmitteln fanden sich hingegen hinsichtlich Sedimentation neben „sehr robusten“ auch „nicht robuste“ Mörtel. In Beton (2014) wird über nicht ausreichend gelöste Probleme von PCE-Fließmitteln mit bestimmten Zementen sowie ihrer Empfindlichkeit gegenüber Tonverunreinigungen berichtet.

Hintergrundgespräche im Zusammenhang mit dem eingangs dargestellten Schadensfall zeigten, dass Probleme mit der Mischungsstabilität von Betonen mit PCE-Fließmitteln in Deutschland zumindest vereinzelt durchaus vorhanden, bislang aber zumeist auf Gutachterebene behandelt worden sind.

2.2 Einflussgrößen im Hinblick auf die Mischungsstabilität

2.2.1 Baustoffe

Nach bisherigem Kenntnisstand sind im Hinblick auf die Frischbetoneigenschaften von Beton allgemein und die Mischungsstabilität im Besonderen neben einer angemessenen Sieblinie insbesondere nachfolgend beschriebene Einflussgrößen zu beachten.

Leimgehalt

Von grundsätzlicher Bedeutung hinsichtlich der Sensibilität eines Betons bezüglich Veränderungen der Frischbetoneigenschaften ist der Leimgehalt, also der Gehalt an Wasser, Bindemittel, Betonzusatzstoffen, Feinanteilen aus der Gesteinskörnung und Luftporen. Um bei konstantem w/z-Wert eine weichere Konsistenz einzustellen, kann entweder der Volumenanteil des Leims im Beton erhöht oder bei gleichbleibendem Leimgehalt der Scherwiderstand durch Zugabe eines verflüssigend wirkenden Zusatzmittels gesenkt werden. In Bild 5 ist exemplarisch der Zusammenhang zwischen Fließmitteldosierung und Ausbreitmaß für einen Beton mit klassischem Fließmittel (Melaminsulfonat) bei unterschiedlichen Leimgehalten dargestellt. Bei geringen Leimgehalten bewirken in diesem Beispiel selbst größere Veränderungen bei der Fließmittelzugabe nur geringe Veränderungen bei der Frischbetonkonsistenz, wodurch sich das Risiko von Fließmittelüberdosierungen mit möglichen Nachteilen für die Mischungsstabilität (s. u.) in der Praxis erheblich erhöhen kann.

Bild 5: Zusammenhang zwischen Fließmittelmenge und Ausbreitmaß bei unterschiedlichen Leimgehalten (Quelle: VDZ)

Untersuchungen an Betonen mit PCE-Fließmitteln in HC (2013) zeigen, dass derartige Betone, insbesondere bei niedrigen Leimgehalten und höheren PCE-Zugaben, im Hinblick auf ihre Konsistenzeigenschaften ausgesprochen sensibel auf Einflüsse aus dem Mischregime bei der Betonherstellung und aus der Frischbetontemperatur reagieren können. Von Betonen mit klassischen Fließmitteln ist eine derartig ausgeprägte Sensibilität nicht bekannt.

Überdosierung

Grundsätzlich scheinen sich zumindest einige PCE- Fließmittel bei Überdosierung im Hinblick auf die Mischungsstabilität des Betons deutlich kritischer zu verhalten als klassische Fließmittel. Eine Fließmittelzugabe über den Sättigungspunkt hinaus (vereinfachend gesagt: über die Fließmittelzugabe hinaus, ab deren Überschreitung keine weitere Verflüssigung mehr eintritt) scheint bei klassischen Fließmitteln im Regelfall eher unkritisch, während verschiedene PCE-Fließmittel bei Überdosierung teilweise zu ausgeprägter Sedimentation neigen (VDZ (2005)). Solche Überdosierungen können beispielsweise aus zu kurzen Mischzeiten und deshalb zunächst nicht ausreichendem Fließmittelaufschluss (DBC (2007)), aus Dosierproblemen aufgrund zu geringer Leimgehalte (s. o.) oder aus sich ändernden Frischbetontemperaturen (s. u.) resultieren. Dabei wirken sich Dosierschwankungen bezüglich des Sättigungspunktes bei PCE-Fließmitteln weitaus kritischer aus, als dies bei konventionellen Fließmitteln der Fall ist (Bild 6). Hinweise zur Bestimmung des Sättigungspunktes finden sich u. a. in Rickert et. al. (2013).

Bild 6: Einfluss von Fließmittelwirkstoffen auf den Sättigungspunkt (Quelle: VDZ, Rickert)

Frischbetontemperatur

Die Konsistenzeigenschaften von Betonen mit PCE- Fließmittel sind stark abhängig von der Frischbetontemperatur. Insbesondere bei niedrigen Frischbetontemperaturen kann es zu Nachverflüssigungseffekten (Ansteigen der Konsistenz) kommen (DBC (2007)). Hierdurch wird eine zielsichere Fließmitteldosierung bereits durch tageszeitliche Temperaturänderungen erschwert (siehe beispielsweise HC (2013)). In Bild 7 ist exemplarisch das Konsistenzverhalten eines Betons (B1) mit PCE-Fließmittel bei gleichbleibendem Mischregime (M2), aber unterschiedlichen Frischbetontemperaturen zwischen 10 °C und 30 °C dargestellt. Ein derartiger Beton ist hinsichtlich seines Konsistenzverhaltens unter baupraktischen Randbedingungen kaum beherrschbar.

Bindemittel

Bild 7: Ausbreitmaß in Abhängigkeit der Frischbetontem­peratur – Leimgehalt 300 l/m3 (aus HC (2013))

In VDZ (2005) skizzierte Untersuchungen zeigten, dass die dort eingesetzten Betone, welche mit Portlandzement bzw. Portlandkalksteinzement hergestellt worden waren, sich unabhängig vom Fließmitteltyp (PCE bzw. klassisch) als unempfindlich gegenüber Sedimentation erwiesen, während bei diesen Untersuchungen in einigen Fällen bei hüttensandhaltigen Zementen Sedimentationserscheinungen beobachtet worden sind. Dies ist u. U. auf die unterschiedlichen Mahlfeinheiten der entsprechenden Zemente zurückzuführen. Grob vermahlene Zemente können in Betonen mit groben Sanden die Sedimentation begünstigen. Hinsichtlich des Bindemitteleinflusses besteht allerdings noch weiterer Forschungsbedarf, generelle Aussagen sind derzeit wohl noch nicht möglich.

In DBC (2007) wird darauf hingewiesen, dass bei PCE-Fließmitteln die Abhängigkeit der Wirksamkeit vom verwendeten Zement größer ist als bei herkömmlichen Fließmitteln. Beobachtungen aus der Praxis deuten darauf hin, dass selbst die Verwendung des gleichen Zementes, aber einer anderen Liefercharge maßgeblichen Einfluss auf die Frischbetoneigenschaften von PCE-Betonen haben kann.

Generell können PCE-Fließmittel im Vergleich zu klassischen Fließmitteln in ihrer Wirkung empfindlicher auf Schwankungen in den Betonausgangsstoffen bzw. in der Betonherstellung reagieren. Hervorzuheben ist hier insbesondere der Einfluss des Alkalisulfatgehaltes des Zementes. Eine hohe Sulfatkonzentration kann die Adsorption der PCE-Moleküle auf den Zementpartikeln verringern, da die Sulfationen ebenfalls auf den Zementpartikeln adsorbieren. Die Verflüssigungswirkung der PCE wird dadurch verringert, die Verarbeitungszeit jedoch verlängert (Yamada et. al. (2001)).