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A. Leemann Karbonatisierungswiderstand – erste Erfahrungen FSKB Frühjahrstagung 2014 Karbonatisierungswiderstand – erste Erfahrungen

Karbonatisierungswiderstand – erste Erfahrungen FSKB ...¼hjahrstagung-2014... · Diffusivität (w/z, Mikrosilika-Zugabe) Pufferkapazität (Zugabe von Kalksteinmehl, Portlandit

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A. Leemann

Karbonatisierungswiderstand – erste Erfahrungen FSKB Frühjahrstagung 2014

Karbonatisierungswiderstand – erste Erfahrungen

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A. Leemann

Karbonatisierungswiderstand – erste Erfahrungen

Inhalt

� Einführung

� Prozess

� Normative Situation

� Karbonatisierungswiderstand nach SIA

� Schnellkarbonatisierung von Mörtel

� Schnellkarbonatisierung von Beton

� natürliche Karbonatisierung von Beton

� Schlussfolgerungen

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A. Leemann

Karbonatisierungswiderstand – erste Erfahrungen

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Bewehrungskorrosion am Bauwerk infolge Karbonatisierung

Bilder: R. Loser

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A. Leemann

Karbonatisierungswiderstand – erste Erfahrungen

Karbonatisierung

� Ca(OH)2 + CO2 (g) + H2O = CaCO3 + 2·H2O

� abhängig von Feuchtegehalt des Betons

Tuutti 1982

4

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A. Leemann

Karbonatisierungswiderstand – erste Erfahrungen

Karbonatisierung

� Ca(OH)2 + CO2 (g) = CaCO3 + H2O

� abhängig von Feuchtegehalt des Betons

� Eindringgeschwindigkeit der Karbonatisierungsfront nimmt mit der Zeit ab

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0 10 20 30 40

rela

tive

Ein

drin

gtiefe

Ka

rbo

na

tisie

rung [-]

Betonalter [Jahre]

dK = A + Ks x t1/2

(schematische Darstellung)

5

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A. Leemann

Karbonatisierungswiderstand – erste Erfahrungen

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Normative Situation: NA der SN EN 206-1

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A. Leemann

Karbonatisierungswiderstand – erste Erfahrungen

Karbonatisierungswiderstand nach SIA 262/1

� Grenzwerte

SIA 262/1

SN EN 206-1

SIA 262 7

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A. Leemann

Karbonatisierungswiderstand – erste Erfahrungen

8

Karbonatisierungswiderstand nach SIA 262/1

� Betonprismen herstellen und nach 24h ausschalen

� Wasserlagerung bis 3d

� “falls nötig, in trockenem Innenraum lagern”, bis 10d

� vorlagern bei 57% r.F. von 10-28d

� anschliessend Lagerung bei 4% CO2 während 63 Tagen

� Bestimmung der Karbonatisierungstiefe zu bestimmten Zeitpunkten

� Berechnung des Karbonatisierungskoeffizienten KS aus: dK = A + KS · t1/2

� Umrechnung auf natürlichen CO2-Gehalt: Karbonatisierungskoeffizienten KN

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A. Leemann

Karbonatisierungswiderstand – erste Erfahrungen

9

Karbonatisierungswiderstand nach SIA 262/1

� dK = A + KS · t1/2

y = 0.5414x + 0.8386

y = 0.3372x + 0.508

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0

Mit

tle

re k

arb

on

ati

sie

run

gst

iefe

[m

m]

Zeit[√Tage]

M 1, 4 % CO2

M 1, 1 % CO2

AKS

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A. Leemann

Karbonatisierungswiderstand – erste Erfahrungen

10

Karbonatisierungswiderstand nach SIA 262/1

� Betonprismen herstellen und nach 24h ausschalen

� Wasserlagerung bis 3d

� “falls nötig, in geschützten, trockenen Innenraum lagern”, bis 10d

� vorlagern bei 57% r.F. von 10-28d

� anschliessend Lagerung bei 4% CO2 während 63 Tagen

� Bestimmung der Karbonatisierungstiefe zu bestimmten Zeitpunkten

� Berechnung des Karbonatisierungskoeffizienten KS aus: dK = A + KS · t1/2

� Umrechnung auf natürlichen CO2-Gehalt: Karbonatisierungskoeffizienten KN

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A. Leemann

Karbonatisierungswiderstand – erste Erfahrungen

Mörtel Zement Zusatzstoff Anteil [Masse-%] w/b

1-3 CEM I 52.5 N - - 0.40 / 0.48 / 0.56

4 CEM I 52.5 N Kalksteinmehl 7.5 0.48

5 CEM I 52.5 N Kalksteinmehl 15.0 0.48

6 CEM I 52.5 N Silicastaub 7.5 0.48

7 CEM I 52.5 N Silicastaub 15.0 0.48

8 CEM I 52.5 N Portlandit 7.5 0.48

9 CEM I 52.5 N Portlandit 15.0 0.48

10 CEM III/B 32.5 - - 0.48

Versuchsmatrix Mörtel

� Variable Materialeigenschaften:

� Diffusivität (w/z, Mikrosilika-Zugabe)

� Pufferkapazität (Zugabe von Kalksteinmehl, Portlandit und Mikrosilika)

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A. Leemann

Karbonatisierungswiderstand – erste Erfahrungen

Schnellkarbonatisierung von Mörtel

� Karbonatisierung - Druckfestigkeit / Sauerstoff-Diffusion

� Korrelation innerhalb einer «Zementart»

� als Gesamtheit: keine Korrelation zu Druckfestigkeit und Diffusivität

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

50 60 70 80

Ka

rbo

na

tisi

eru

ng

swid

ers

tan

d K

N4

%

CO

2[m

m/y

1/2

]

Druckfestigkeit 91 Tage [MPa]

CEM I Kst

Ms Por

CEM III/B0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

0 1 2 3 4 5

Ka

rbo

na

tisi

eru

ng

swid

ers

tan

d K

N4

%

CO

2[m

m/y

1/2

]

O2-Diffusivität [×10-8 m2/s ]

CEM I

Kst

Ms

Por

CEM III/B

12

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A. Leemann

Karbonatisierungswiderstand – erste Erfahrungen

Schnellkarbonatisierung von Beton

� Karbonatisierung - Druckfestigkeit / w/z-Wert

� wenig Zusammenhang mit Druckfestigkeit («Festigkeitsklasse»)

� Steuergrössen: w/z-Wert (innerhalb einer Zemenart) und Zementart

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 20 40 60 80 100

Ka

rbo

na

tisi

eru

ng

sko

eff

izie

nt

KN

[mm

/y1

/2]

Druckfestigkeit [MPa]

CEM I

CEM III/B

CEM II/A-D

CEM II/B-LL

w/z 0.65

w/z 0.40

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0.30 0.40 0.50 0.60 0.70K

arb

on

ati

sie

run

gsk

oe

ffiz

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t K

N

[mm

/y1

/2]

w/z-Wert

CEM I

CEM III/B

CEM II/A-D

CEM II/B-LL

13

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A. Leemann

Karbonatisierungswiderstand – erste Erfahrungen

Schnellkarbonatisierung von Beton

� Karbonatisierung – w/b-Wert

� problematische Betone: Sorte B mit CEM II/B-M14

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0.30 0.40 0.50 0.60 0.70

Ka

rbo

na

tisi

eru

ng

sko

eff

izie

nt

KN

[mm

/y1

/2]

w/b-Wert

CEM I

CEM III/B

CEM II/A-D

CEM II/B-LL

Transportbeton aus CEM II/B-M

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A. Leemann

Karbonatisierungswiderstand – erste Erfahrungen

Natürliche Karbonatisierung von Beton (Exposition: 2.5 Jahre)

� Beziehung zwischen w/z und Zementart mit Karbonatisierungswiderstand

bestätigt

� Differenz zwischen Schal- und Schnittfläche («Nachbehandlung»)15

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65

Ka

rbo

na

tisi

eru

ng

sko

eff

ize

int

KN

[mm

/Ja

hr0

.5]

w/z [-]

Schalfläche, unbewittert

CEM I

CEM II/A-LL

CEM II/B-M (V-LL)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65

Ka

rbo

na

tisi

eru

ng

sko

eff

ize

int

KN

[mm

/Ja

hr0

.5]

w/z [-]

Schnittfläche, unbewittert

CEM I

CEM II/A-LL

CEM II/B-M (V-LL)

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A. Leemann

Karbonatisierungswiderstand – erste Erfahrungen

Veränderung des Zementsteins im Beton

� Beton aus CEM I

nicht karbonatisiert

karbonatisiert

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A. Leemann

Karbonatisierungswiderstand – erste Erfahrungen

Veränderung des Zementsteins

� Beton aus CEM I

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 0.5 1 1.5 2

Al/

Ca

Si/Ca

not carbonated

carbonated

0

5

10

15

20

25

1 10 100 1000

Po

ren

vo

lum

en

[m

m3/g

]

Porenradius [nm]

MIP, 2. Intrusion

CEM I

CEM I karbonatisiert

� Gesamtporosität wird verringert, aber Porenradien werden grösser

� Zersetzung der Hydratphasen zu Calcit und siliziumreichen Gel 17

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A. Leemann

Karbonatisierungswiderstand – erste Erfahrungen

Veränderung des Zementsteins

� Beton aus CEM III/B

nicht karbonatisiert

karbonatisiert

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A. Leemann

Karbonatisierungswiderstand – erste Erfahrungen

0

5

10

15

20

25

1 10 100 1000

Po

ren

vo

lum

en

[m

m3/g

]

Porenradius [nm]

MIP, 2. Intrusion

CEM III/B

CEM III/B karbonatisiert

Veränderung des Zementsteins

� Beton aus CEM III/B

� Gesamtporosität wird erhöht und Porenradien werden grösser

� Zersetzung der Hydratphasen zu Calcit und siliziumreichen Gel

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

0 1 2 3A

l/C

aSi/Ca

not carbonated

carbonated

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A. Leemann

Karbonatisierungswiderstand – erste Erfahrungen

Schlussfolgerungen

� Grenzwerte:

� üblicherweise keine Probleme bei Sorten C, D und E

� Sorte B kann über Grenzwert liegen

� Steuergrössen für Beton:

� w/z-Wert innerhalb einer Zementart

� Zementart

→ Erreichen einer bestimmten Festigkeitklasse kein Garant für Erfüllen des Karbonatisierungswiderstandes

� mehr Erfahrungen benötigt (z. Bsp. Recyclingbeton)

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