Was sind Frost-Tau-Schäden in Betonfahrbahndecken?

Frost-Tau-Schäden in Betonfahrbahndecken

Frost-Tau-Schäden sind die Zerstörung, die wiederholtes Gefrieren und Tauen von Wasser in Beton verursacht. Auf Flugplatzplatten zeigen sie sich als Abwitterung, D-Rissbildung und Pop-outs.

Wie Frost Beton schädigt

Zementpaste hält Wasser in Gelporen und in größeren Kapillarporen. Wasser in den Gelporen kann nicht über -78 °C gefrieren. Die Kapillarporen sind viel größer. Wasser dehnt sich beim Gefrieren um etwa 9 Prozent aus. Drei Effekte verwandeln diese Ausdehnung in Schaden.

• Hydraulischer Druck. Wenn sich Eis bildet, wird ungefrorenes Wasser durch die Kapillarporen weg von der Gefrierstelle gedrückt. Der Druck steigt, wenn das Gefrieren schneller erfolgt, wenn der Fließweg länger ist und wenn die Paste weniger durchlässig ist.
• Osmotischer Druck. Eis stößt gelöste Ionen ab, sodass das verbleibende Wasser konzentrierter wird. Das zieht mehr Wasser zum Eis und erhöht den Druck.
• Kritische Sättigung. Beton erleidet diesen Schaden nur, wenn die Kapillaren der Paste zu mehr als 91,7 Prozent gefüllt sind. Teilweise gefüllte Poren können die Ausdehnung aufnehmen. Kritische Sättigung kann örtlich innerhalb der Paste auftreten.

Sättigung ist also der erste Faktor. Trockener Beton leidet nicht. FAA AC 150/5320-6G führt eine hohe Zahl von Frost-Tau-Wechseln unter den Ursachen von Dauerhaftigkeitsproblemen des Betons auf. Schlechte Mischungsentwürfe, schlechte Bauausführung und nicht dauerhafte Gesteinskörnung sind weitere.

Wie Luftporenbildung sie begrenzt

Beton enthält zwei Arten von Luft. Eingeschlossene Luft macht 1 bis 3 Prozent des Volumens aus, in unregelmäßigen Hohlräumen von 1 bis 10 mm oder mehr. Eingeführte Luft ist ein System viel kleinerer Bläschen mit einer typischen mittleren Größe von etwa 0,10 mm. Ein luftporenbildendes Zusatzmittel erzeugt diese Bläschen.

Eingeführte Poren wirken als Druckentlastungsstellen. Wasser fließt zu einer Pore, und dort kann sich Eis bilden, ohne dass sich Druck aufbaut, sofern der Beton nicht vollständig gesättigt ist. Jede Pore schützt eine Schale aus Paste um sie herum. Der Abstandsfaktor ist ein empirischer Wert für die größte Strecke, die Wasser in der Paste bis zu einer Pore zurücklegen muss.

FHWA gibt diese Faustregeln an:

• 6 ± 1 Prozent Gesamtluft
• eine spezifische Oberfläche von mindestens 24 mm²/mm³
• ein Abstandsfaktor von 0,20 mm (0,008 inch) oder weniger

FHWA ergänzt, dass nur etwa 1,3 Prozent Gesamtluft nötig sind, um die Ausdehnung von vollständig gesättigtem Beton aufzunehmen. Es stellt außerdem fest, dass das Luftvolumen allein nicht ausreicht, weil kleinere Poren besser schützen. Diese Grenzen reichen für einige synthetische Zusatzmittel möglicherweise nicht aus.

Das FHWA-Kursmanual nennt die üblichen Bereiche, die ASTM-C457-Prüfungen bei luftporenbildendem Beton finden. Das Paste-Luft-Verhältnis liegt bei 4 bis 10, die spezifische Oberfläche bei 25 bis 45 mm⁻¹ und der Abstandsfaktor bei 0,1 bis 0,2 mm. Der Abstandsfaktor ist im Allgemeinen der aussagekräftigste Indikator. Das Maximum für mäßige Exposition liegt meist bei 0,20 mm. Geringe Exposition kann größere Werte zulassen, starke Exposition kleinere verlangen.

Luftgehalt, den FAA Item P-501 empfiehlt

Für Flugplatzbefestigungen lässt Item P-501 der FAA AC 150/5370-10H den Ingenieur den Luftgehalt wählen. Die Wahl hängt von der Expositionsstufe und der größten Gesteinskörnungsgröße ab. Die Tabelle nennt die empfohlenen Werte in Prozent.

• Gering ist eine Befestigung, die Frost oder Taumittel nicht erreichen.
• Mäßig ist ein Klima mit Frost. Der Beton ist vor dem Gefrieren nicht über lange Zeit nass, und er kommt nicht mit Taumitteln in Berührung.
• Stark bedeutet Taumittel oder andere aggressive Stoffe. Es umfasst auch Beton, der vor dem Gefrieren durch ständigen Kontakt mit Feuchtigkeit oder freiem Wasser stark gesättigt werden kann.

Der Auftragnehmer prüft den Luftgehalt von frischem Beton nach ASTM C231. Für Schlacke und andere stark poröse grobe Gesteinskörnung ist die Prüfung ASTM C173.

Wie es auf einer Platte aussieht

• Abwitterung ist der Verlust der Plattenoberfläche. FAA AC 150/5380-6C sagt, dass eine Oberfläche, die durch unsachgemäße Nachbehandlung oder Glättung geschwächt wurde, zusammen mit Frost-Tau-Wechseln zur Abwitterung führen kann.
• D-Rissbildung ist ein Muster von Rissen parallel zu einer Fuge oder einem Riss, mit dunkler Verfärbung um die feinen Risse. Sie kann innerhalb von 1 bis 2 Fuß (0,3 bis 0,6 m) von der Fuge oder dem Riss zum Zerfall führen.
• Pop-outs sind kleine Stücke, die aus der Oberfläche brechen. Sie sind etwa 1 bis 4 inch (25 bis 100 mm) breit und 1/2 bis 2 inch (13 bis 50 mm) tief.

Dauerhaftigkeitsprobleme sind am stärksten entlang der Fugen und an den Plattenecken, weil dort die Feuchtigkeit am höchsten ist.

Wie sich die Fälle unterscheiden

Das PAVER-Handbuch trennt ASR von D-Rissbildung anhand der Risse senkrecht zur Fugenfläche. Es trennt ASR von Netzrissbildung und Abwitterung anhand der Anzeichen von Ausdehnung. Nur Kernbohrung und petrographische Analyse bestätigen ASR.

Nicht dasselbe wie Frosthebung

Frosthebung ist ein Bodenproblem unter der Platte. FAA AC 150/5320-6G sagt, dass sie frostempfindlichen Boden, eine Gefriertemperatur in diesem Boden und freies Wasser braucht, das Eislinsen bildet. Frost-Tau-Schäden sind ein Problem des Betons selbst.

Was es verschlimmert

• Unzureichende Luftporenbildung für das Klima. Das PAVER-Handbuch nennt dies als Materialmangel, der Abwitterung verursacht. Er betrifft mehrere Platten, die aus denselben Betonchargen stammen.
• Frieren, bevor der Beton Festigkeit gewinnt. Das PAVER-Handbuch führt dies als Umweltursache der Abwitterung auf.
• Schlechtes Glätten und Nachbehandeln. Das PAVER-Handbuch führt übermäßiges Glätten, Wasser, das beim Glätten an die Oberfläche gegeben wird, und fehlende Nachbehandlung als bauliche Mängel auf, die Abwitterung verursachen.
• Quellende Gesteinskörnung. FAA AC 150/5380-6C verbindet D-Rissbildung und Pop-outs mit quellender Gesteinskörnung.
• Wasser, das nicht abfließen kann. AC 150/5380-6C sagt, dass eine schlechte Untergrundentwässerung zu Folgeschäden wie D-Rissbildung beitragen kann.
• Taumittel. Item P-501 ordnet Beton, der mit Taumitteln in Berührung kommt, der starken Expositionsstufe zu.
• Asphaltüberzug. AC 150/5320-6G sagt, dass der Schweregrad von Dauerhaftigkeitsschäden nach einem Asphaltüberzug oft zunimmt, weil an der Grenzfläche mehr Feuchtigkeit eingeschlossen wird.

Wie die Frost-Tau-Beständigkeit geprüft wird

FHWA sagt, dass die Prüfung normalerweise endet, wenn der relative dynamische Modul unter 50 bis 60 Prozent seines Anfangswerts fällt. Der relative dynamische Modul wird aus der Resonanzfrequenz des Prismas berechnet. Item P-501 verwendet das Ergebnis von ASTM C666 zur Annahme der groben Gesteinskörnung. Siehe den Abschnitt zur Vorbeugung.

Vorbeugung bei Flugplatzbefestigungen

Die Spezifikation FAA Item P-501 und ihre Hinweise an den Ingenieur legen diese Maßnahmen fest. Die Hinweise sind Richtlinien, und der Ingenieur passt sie an das Projekt an.

• Luftgehalt. Verwenden Sie die Tabelle oben für die Expositionsstufe und die Größe der Gesteinskörnung.
• Wasser-Bindemittel-Verhältnis. Das Verhältnis liegt bei 0,38 bis 0,45 nach Gewicht. Der Ingenieur legt höchstens 0,45 fest, es sei denn, starke Frost-Tau- oder Taumittelbelastung erfordert einen niedrigeren Wert. Ein Verhältnis unter 0,38 braucht die Genehmigung des Ingenieurs und der FAA.
• Bindemittelgehalt. Mindestens 470 Pfund pro Kubikyard (280 kg/m³) wird empfohlen. Wo starke Frost-Tau-, Taumittel- oder Sulfatbelastung zu erwarten ist, sollte das Minimum mindestens 517 Pfund pro Kubikyard (310 kg/m³) betragen.
• Gesteinskörnung. Der Ingenieur wählt die größte Gesteinskörnungsgröße unter Berücksichtigung der Frost-Tau-Anfälligkeit. Wo D-Rissbildung ein Problem ist, braucht die grobe Gesteinskörnung einen Dauerhaftigkeitsfaktor von 95 oder mehr nach ASTM C666. Auch eine Betriebsbewährung von 20 Jahren unter ähnlichen Bedingungen ohne D-Rissbildung gilt als Nachweis.
• Chert. Chert-Pop-outs sind ein bekanntes Problem in Frost-Tau-Gebieten. P-501 begrenzt Chert mit einer Dichte unter 2,40 auf 0,1 Prozent der Masse. Die Grenze beträgt 1,0 Prozent in Gebieten ohne starken Frost und Tau.
• Arbeiten bei kaltem Wetter. Der Auftragnehmer stoppt das Mischen, wenn die fallende Lufttemperatur 40 °F (4 °C) erreicht. Das Mischen beginnt wieder bei 35 °F (2 °C). Der RPR kann die Arbeit schriftlich genehmigen. Der Beton muss beim Einbau mindestens 50 °F (10 °C) warm sein und darf nie auf gefrorenem Material eingebaut werden.
• Nachbehandlung. Die Nachbehandlungszeit beträgt 7 Tage. Bei kaltem Wetter bleibt der Beton 72 Stunden bei 50 °F (10 °C) oder mehr. Danach bleibt er für den Rest der 7 Tage über dem Gefrierpunkt.
• Fugenabdichtung. P-501 verlangt, dass die Fugen nach Item P-604 oder P-605 abgedichtet werden. AC 150/5380-6C sagt, dass das Abdichten von Rissen Oberflächenfeuchtigkeit von der Befestigungsstruktur fernhält.
• Entwässerung. AC 150/5380-6C sagt, dass die Kriterien für eine Untergrundentwässerung unter Pisten und Rollwegen strenger sind als für Vorfelder.

Die FAA führt gebrochenen Granit, calcitgebundenen Sandstein, Quarzit, Basalt, Diabas, Rhyolith und Trapp-Gestein als Gesteinskörnungen auf, die die Prüfanforderung für D-Rissbildung erfüllen. Sie müssen trotzdem die anderen Qualitätsprüfungen von P-501 bestehen.

Frost-Tau-Schäden an Asphalt

Der Luftporen-Mechanismus oben gehört zu Beton. Für Flugplatzasphalt verbindet FAA AC 150/5380-6C Frost-Tau mit Schlaglöchern. In nördlichen Klimaten mit starken Frost-Tau-Wechseln verschlimmert sich die Schlaglochbildung, und sie hängt möglicherweise nicht allein vom Verkehr ab. Die AC ergänzt, dass Schlaglöcher auf Flugplätzen kein häufiger Schaden sind. Sie sagt außerdem, dass Feuchtigkeit im Asphalt das Bindemittel von der Gesteinskörnung lösen kann.

Für die Mischungsbemessung gibt Item P-401 der AC 150/5370-10H eine Regel für die Prüfung des Zugfestigkeitsverhältnisses an. In Gebieten mit Frost-Tau-Wechseln ist eine Frost-Tau-Konditionierung zu verwenden. Das Prüfverfahren ist ASTM D4867.

Wie das PAVER-Handbuch es bewertet

Das PAVER-Handbuch zählt Schäden je Platte. Es bewertet die Abwitterung nach der FOD-Gefahr und die D-Rissbildung nach Fläche und Zerfall.

• Abwitterung, gering: ein geringer Verlust der Oberflächenpaste ohne FOD-Potenzial.
• Abwitterung, mittel: Verlust der Oberflächenpaste mit einem gewissen FOD-Potenzial, etwa lose Mörtel- oder grobe Gesteinskörnung.
• Abwitterung, hoch: Beton mit geringer Dauerhaftigkeit, der weiterhin eine hohe FOD-Gefahr darstellt. Reguläres Kehren stoppt das FOD nicht.
• D-Rissbildung, gering: Haarrisse in einem begrenzten Bereich der Platte, etwa in ein oder zwei Ecken entlang einer Fuge. Kaum oder kein Zerfall ist eingetreten.
• D-Rissbildung, mittel: Die Risse decken einen erheblichen Teil der Plattenfläche bei wenig Zerfall ab oder decken einen begrenzten Bereich mit fehlenden Stücken ab.
• D-Rissbildung, hoch: Die Risse decken einen erheblichen Teil der Plattenfläche mit Zerfall oder FOD-Potenzial ab.
• Pop-outs: Das Handbuch legt keine Schweregrade fest. Es zählt die Platte nur, wenn die mittlere Dichte etwa drei Pop-outs je Quadratyard (Quadratmeter) übersteigt.

Wird D-Rissbildung auf einer Platte gezählt, wird die Abwitterung auf dieser Platte nicht erfasst. Stammen Kanten- oder Fugenabplatzungen von D-Rissbildung, wird nur die D-Rissbildung erfasst. Abwitterung mit geringem Schweregrad, die Haarrisse (crazing) ist, wird nur gezählt, wenn in 2 bis 3 Jahren wahrscheinlich Abwitterung eintritt.

Was dagegen zu tun ist

Das PAVER-Handbuch weist darauf hin, dass Kehren das FOD aus der Abwitterung entfernt, der Beton aber weiter abwittert, bis die betroffene Tiefe verschwunden ist. Bei Pop-outs nennt AC 150/5380-6C nur eine Maßnahme: das FOD entfernen.

Die Reparaturmethode für starre Befestigungen hängt von Schadensart, Klima, Erfahrung und verfügbaren Materialien ab. Die AC nennt Riss- und Fugenabdichtung, Teiltiefenreparatur und vollständige Reparatur. Die Teiltiefenreparatur eignet sich für Fugenabplatzungen, also den Zerfall der Plattenkante innerhalb von 2 ft (0,6 m) der Fuge. Eine Reparatur, die dünner als 2 inch (5 cm) ist, verschlechtert sich auf einer Flugplatzbefestigung meist schnell.

Bei der Flugplatzinspektion

Eine Zustandserfassung hält die Schäden und ihren Schweregrad fest. Sie hält die Ursache nicht fest. D-Rissbildung und Abwitterung sind getrennte Schadensarten, und auf einer Platte zählt das PAVER-Handbuch nur die D-Rissbildung. TarmacView plant Befestigungserhebungen per Drohne und erfasst heute die Fotos. Rissbestimmung und die Bewertung nach ASTM D5340 befinden sich in Entwicklung und werden als Frühzugang angeboten.