Was sind Schwindrisse in Betonbefestigungen?

Ein Schwindriss ist ein feiner Haarriss, der sich in einer Betonplatte bildet, während der Beton erstarrt und aushärtet.

Schwinden ist ein Volumenverlust des Betons. Kann sich die Platte nicht frei bewegen, baut das Schwinden Spannung auf. Ein Riss entsteht, wenn diese Spannung größer ist als die Zugfestigkeit des Betons. Die FHWA beschreibt drei Arten des Schwindens an einer Betonbefestigung: plastisches, Trocknungs- und autogenes Schwinden.

Wie ein Schwindriss aussieht

Das PAVER-Schadenshandbuch und die AC 150/5380-6C der FAA geben dieselbe Beschreibung. Ein Schwindriss ist ein feiner Haarriss, der meist nur wenige Fuß lang ist. Er reicht nicht über die ganze Platte und meist nicht durch deren gesamte Dicke. In der Regel reicht er höchstens 1/4 Zoll (6 mm) von der Oberfläche in die Tiefe, und er kann nur im Zementleim der fertigen Oberfläche liegen.

Warum Beton schwindet und warum er reißt

Das Schwinden findet vor allem im Zementleim statt, und die Gesteinskörnung wirkt als Zwang. Auch die Platte liegt auf einem Unterbau, der ihre Bewegung behindert. Die FHWA sagt, dass dieser Zwang an der Grenzfläche von Platte und Unterbau Spannung aufbaut. Beton ist auf Zug schwach. Deshalb entsteht ein Riss, um die Spannung abzubauen, wenn sie größer ist als die Zugfestigkeit.

Eine Betonbefestigung mit Fugen nutzt das bewusst. Die FHWA sagt, dass Fugen steuern, wo die Rissbildung auftritt. Der größte Teil der Rissbildung findet in der Frühphase statt, während die Platte sich gegen Volumenänderungen wehrt. Die FAA AC 150/5320-6G sagt, dass Scheinfugen kontrollierte Risse erzeugen, wenn sich die Befestigung zusammenzieht, weil Feuchtigkeitsgehalt oder Temperatur sinkt.

Plastisches, Trocknungs- und autogenes Schwinden

Plastisches Schwinden

Die FHWA beschreibt plastische Schwindrisse als kurze, unregelmäßige Risse auf der frischen Betonoberfläche. Sie sind von wenigen Zentimetern bis knapp unter 1 m lang und liegen von wenigen Zentimetern bis 0,6 m auseinander. Die Risse entstehen, wenn die Verdunstungsrate höher ist als die Blutungsrate. Der frische Beton ist dann nicht stark genug, um der Kapillarspannung im Zementleim zu widerstehen.

Das Wetter bestimmt die Verdunstungsrate. Die FHWA nennt hohe Betontemperatur, niedrige relative Luftfeuchte und starken Wind als Bedingungen, die plastische Schwindrisse begünstigen. Ein trockener Unterbau kann dem Beton ebenfalls Wasser entziehen. Eine Mischung, die wenig blutet, kann auch bei normaler Verdunstungsrate austrocknen. Ein Beispiel ist steifer Befestigungsbeton mit geringem Wassergehalt und etwas Zementersatz. Eine Mischung, die langsam abbindet, bleibt länger plastisch und hat deshalb mehr Zeit zum Austrocknen. Die FHWA (2004) sagt, dass sich nicht sicher vorhersagen lässt, wann plastische Schwindrisse entstehen.

Die FHWA stellt fest, dass plastische Rissbildung die innere Qualität des Betons nicht unbedingt beeinträchtigt. Wird der Beton danach gut nachbehandelt, ist der Mangel eher optisch.

Trocknungsschwinden

Das Trocknungsschwinden beginnt nach dem Erstarren des Betons. Ein Teil des Wassers, das der Beton an die Luft abgibt, ist nicht umkehrbar und hinterlässt bleibendes Schwinden. Die FHWA nennt die Faktoren, die sein Ausmaß bestimmen: das Wasser-Zement-Verhältnis, die Zementart, der Zementgehalt, die Zusatzmittel, Art und Menge der Gesteinskörnung und das Klima. Die AC 150/5320-6G warnt, dass ein hoher Zementgehalt das Risiko von Rissen durch Trocknungsschwinden erhöhen kann.

Planer rechnen mit Trocknungsschwinden und berücksichtigen es beim Schneiden der Fugen. Trocknet der Beton in den ersten Tagen stark aus, können Risse in engerem Abstand entstehen als die Scheinfugen (FHWA).

Autogenes Schwinden

Autogenes Schwinden ist eine Volumenverringerung des Zementleims durch Selbstaustrocknung. Bei der Selbstaustrocknung verändern physikalische und chemische Vorgänge im Zement während der Hydratation die Kapillarporen und trocknen sie aus. Die FHWA sagt, dass es bei hochfestem Beton mit niedrigem Wasser-Zement-Wert größer ist und bei einem hohen Wert kleiner. Es hängt nicht vom Feuchtetransport, nicht von Temperaturänderungen und nicht von äußerem Zwang ab.

Zwei Maßnahmen verringern es. Die eine hält während der Hydratation Wasser verfügbar, durch Wassernachbehandlung oder interne Nachbehandlung. Bei der internen Nachbehandlung gibt vorgenässter Leichtzuschlag Wasser im Beton ab. Die andere ist ein schwindreduzierendes Zusatzmittel.

Wie man plastische von Trocknungsschwindrissen unterscheidet

Ingenieure treffen diese Entscheidung an Bohrkernen im Labor. Die FHWA nennt diese Zeichen für einen plastischen Schwindriss:

• Er beginnt an der freiliegenden Oberfläche und ist dort am breitesten. Dann verjüngt er sich mit der Tiefe, oft bis fast auf null.
• Die Spannung verformt die Rissflanken. Kleine Brücken aus Zementleim können den Riss überspannen, und die beiden Seiten passen nicht wieder zusammen.
• Mörtel, den die Oberflächenbearbeitung in den oberen Teil des Risses gedrückt hat, zeigt, dass der Riss früh entstanden ist.
• Die Rissinnenseite hat winzige Kügelchen aus Zementleim. Ein frischer Bruch desselben Betons hat winzige kantige Flächen.

Ein Riss, der um die Gesteinskörner herumläuft, reicht als Beweis für plastische Rissbildung nicht aus. Auch Blutungskanäle können wie plastische Schwindrisse aussehen. Ein Blutungskanal zeigt die Spuren eines Wasserwegs.

Wie man einen Schwindriss von einem Lastriss unterscheidet

Ein Schwindriss ist kein Strukturschaden. Ein Riss, der eine Platte in zwei oder drei Stücke teilt, ist ein anderer Schaden. Laut AC 150/5380-6C entsteht er in der Regel durch wiederholte Lasten und Schwindspannungen zusammen. Das PAVER-Handbuch stuft kurze Haarrisse als Schwindrisse ein. Für bewehrten Beton gilt eine zusätzliche Regel. Ein Riss von weniger als 1/8 Zoll (3 mm) Breite, ohne Abplatzungen oder Versatz, zählt als Schwindriss.

Eine Platte, die sich kreuzende Risse in vier oder mehr Stücke bricht, ist eine zertrümmerte Platte. Das PAVER-Handbuch sagt, dass Schwindrisse beim Zählen dieser Stücke ignoriert werden. Ein Netz feiner Risse in der Oberseite der Platte sind Kartenrisse (map cracking). Ein Rissmuster parallel zu einer Fuge ist D-Cracking.

PAVER gibt außerdem einen zeitlichen Hinweis. Plastische Schwindrisse können am Tag des Baus entstehen und werden innerhalb des ersten Jahres sichtbar. Risse durch Alkali-Kieselsäure-Reaktion treten in den ersten Jahren im Allgemeinen nicht auf.

Schwindrisse in Asphalt

Diese Seite behandelt Betonbefestigungen. Die AC 150/5380-6C verwendet den Begriff auch für Asphalt. Sie sagt, dass Längs- und Querrisse in flexiblen Befestigungen durch Schwinden oder Zusammenziehen der Heißmischasphalt-Oberfläche entstehen können. Oxidation und Alterung des Asphalts verursachen das Schwinden, und Temperaturschwankungen verursachen das Zusammenziehen. Diese Rissart hängt nicht mit Lasten zusammen.

In einer Zustandserfassung der Befestigung

Das PAVER-Handbuch setzt die Methode des Pavement Condition Index (PCI) für Flugplatzbefestigungen um. Es führt Schwindrisse als Schadensart 73 und definiert dafür keine Schweregrade. Ein Prüfer erfasst nur, dass Schwindrisse vorhanden sind. Eine Platte mit einem oder mehreren Schwindrissen zählt als eine Platte mit Schwindrissen.

Eine Studie der FAA hat Daten kleiner Drohnen an sechs Flughäfen untersucht. Sie empfiehlt für die Erkennung und Bewertung von Flugplatzschäden ein farbiges Orthofoto mit 1,5 mm pro Pixel und ein Höhenmodell mit 6,0 mm pro Pixel. Für Schwindrisse nennt sie als Mindestauflösung des Orthofotos 2,5 mm pro Pixel und sagt, dass ihre Erkennung nicht immer möglich ist. Die Risse sind oft kleiner als ein Millimeter.

Kontrolle während des Baus

Drei Maßnahmen kontrollieren die Schwindrissbildung in einer neuen Platte. Es sind eine gute Mischung, der Schutz der frischen Oberfläche und Fugen, die zum richtigen Zeitpunkt geschnitten werden.

Frische Oberfläche schützen

Die FHWA sagt, dass die Nachbehandlung beginnt, sobald die Oberfläche zu trocknen beginnt. Dann ist die Verdunstung höher als das Bluten, und die Oberfläche verliert ihren nassen Glanz. Die beiden üblichen Verfahren der Erstnachbehandlung sind Nebelung und Verdunstungsverzögerer. Bei der Nebelung erhöhen spezielle Nebeldüsen die Luftfeuchte direkt über der Platte. Sie ist das wirksamste Mittel, die Verdunstung zu verringern. Die FHWA nennt außerdem diese Möglichkeiten: sofort und mindestens 24 Stunden feucht nachbehandeln, Windschutzwände und Sonnensegel.

Die FHWA nennt Grenzwerte der ACI 308 für die Verdunstungsrate. Risse können bei 0,5 kg/m2/h entstehen, und oberhalb von 1,0 kg/m2/h sind Vorkehrungen nötig. Ein späterer Kurzbericht der FHWA sagt, dass Ingenieure die Verdunstungsrate mit dem Menzel-Nomogramm schätzen. Er nennt 0,20 lb/ft2/h (0,98 kg/m2/h) als üblichen kritischen Wert und merkt an, dass man in Frage stellt, ob dieser Wert zu modernem Beton passt. Die Leitlinie der FHWA zur Nachbehandlung sagt, dass Befestigungsbeton weniger blutet, als diese Grenzwerte annehmen. Die Grenzwerte sind daher möglicherweise nicht konservativ genug.

AC 150/5370-10H, Item P-501, legt für neue Betonbefestigungen diese Regeln fest:

• Geben Sie während des Glättens kein Wasser auf die Plattenoberfläche. Der Bauoberleiter (RPR) darf Nebelsprühungen oder andere Glättungshilfen gegen plastische Schwindrisse genehmigen.
• Nachbehandeln Sie alle freiliegenden Flächen über eine 7-Tage-Nachbehandlungszeit, beginnend mit dem Abschluss des Glättens und sobald das Blutwasser verschwunden ist.
• Schneiden Sie die Fugen, sobald der Beton hart genug ist, um ohne Schäden geschnitten zu werden, und bevor unkontrollierte Schwindrisse entstehen.

Fugen rechtzeitig schneiden

Die FHWA sagt, dass verspätetes Schneiden der Fugen unkontrollierte Rissbildung zulässt. Das kann zu schlechter Lastübertragung und Abplatzungen führen. Der Beton muss zuerst stark genug sein, um die Säge und ihren Bediener zu tragen. Das begrenzt, wie früh das Schneiden beginnen kann.

Die AC 150/5320-6G legt den empfohlenen maximalen Fugenabstand anhand der Plattendicke fest. Die Plattendicke bestimmt den Abstand und nicht umgekehrt. Für eine Befestigung ohne stabilisierte Tragschicht gilt:

Die AC enthält eine zweite Tabelle für eine stabilisierte Tragschicht. Dort reicht der Abstand von 12,5 ft bei 8 bis 10 Zoll dicken Platten bis 20 ft bei Platten über 16 Zoll. Ein Abstand von mehr als 20 ft braucht eine technische Analyse im Bericht des Ingenieurs. Die AC sagt außerdem, dass kleinere Platten auf lange Sicht im Allgemeinen besser abschneiden.

Mischungsentwurf

Die FHWA sagt, dass interne Nachbehandlung mit Leichtzuschlag das frühe Schwinden und die damit verbundene plastische Schwindrissbildung verringert. Sie sagt außerdem, dass Polypropylenfasern die plastische Schwindrissbildung verzögern können.

Was ein Schwindriss auf einem Flugplatz bedeutet

Ein Schwindriss ist ein Oberflächenmangel, dem die PAVER-Methode keinen Schweregrad zuweist. Das Risiko ist, dass er mit einem Lastriss verwechselt wird oder umgekehrt. Ein feiner Riss von wenigen Fuß ist meist optisch. Ein Riss, der die Platte quert, ist kein Schwindriss, und er braucht eine strukturelle Prüfung. Das PAVER-Handbuch sagt, dass ein Längs-, Quer- oder Diagonalriss mit geringem Schweregrad meist durch Verwölbung oder Reibung bedingt ist. Ein Riss mit mittlerem oder hohem Schweregrad ist meist ein Bewegungsriss und ein großer struktureller Schaden.

Eine Versiegelung hält Oberflächenfeuchtigkeit aus dem Befestigungsaufbau fern (AC 150/5380-6C). Die AC 150/5380-6C verweist für Fugen- und Rissversiegelungen auf die AC 150/5370-10, Items P-604 und P-605.

Reparatur

Bei einer Befestigung im Betrieb sagt die AC 150/5380-6C, dass Schwindrisse kosmetisch sind und in der Regel keine Reparatur brauchen. Ein Versiegelungsmittel hält Oberflächenfeuchtigkeit vom Befestigungsaufbau fern.

Bei einer neuen Platte deckt P-501 Risse bis zu einem Drittel der Plattendicke ab. Reinigen Sie den Riss und tragen Sie dann Methacrylat mit hohem Molekulargewicht auf oder injizieren Sie Epoxidharz. Behandeln Sie einen tieferen Riss wie einen Riss über die volle Plattendicke. P-501 erlaubt diese Reparatur nicht, wenn der Gesamtzustand der Befestigung ein akzeptables und dauerhaftes Ergebnis unwahrscheinlich macht.