Merkblatt für die Herstellung geschlossener Betonoberflächen bei einer Wärmebehandlung
Anmerkungen von Gerd Wischers, Düsseldorf
übersicht
Von der Möglichkeit, die Frühfesfigkeit des Betons durch eine mehrstündige Wärmebehandlung im Bereich von SO bis 80 oe beträchtlich zu steigern, macht man in der Betonfertigteilindusfrie schon seit einigen Jahrzehnten Gebrauch. Im Zusammenhang mit einigen Schadensfällen wurde neuerdings die Frage aufgeworfen, ob durch eine Wärmebehandlung der Korrosionsschutz der Slah/und Spannbewehrung vermindert würde. Sowohl theoretische Uberlegungen afs auch Varsuche und das ausgezeichnete Langzeit-Verhalten von wärmebehandelten SpannbetonschweIfen unter extremen Umweltbedingungen Jassen darauf schließen, daß dies nicht zu befürchten ist , wenn die Wärm ebehandlung sachkundig durchgeführt wird, so daß eine Güteminderung der den Stahl überdeckenden Schicht nicht auftritt.
Das Merkblatt enthält in aflgemeiner und gedrängter Form diejenigen Hinweise und Maßnahmen, die bei einer Wärmebehandlung in dieser Hinsicht zu beachten sind I). In den Anmerkungen zum Merkblatt werden mögliche Ursachen für eine Güteminderung der Betonüberdeckung bei einer unsachgemäßen Wärmebehandlung erörtert sowie verfahrenstechnische Einzelheiten für die Ausführung der empfohlenen Maßnahmen mitgeteilt.
1. Allgemeines
Mit einer Wärmebehandlung kann man die Frühfestigke it des Betons beträchtlich ste igern ; die Endfestigkeit wärmebehandelte r Betone ist un ler sonst gleichen Verhältnissen höchstens gleich groß oder meist sogar etwas kle iner als die normal gelagerter Betone. Eine höhere Frühfestigkeit hat - trotz der etwas gerin-
') Das Merkbla tt wurde auf Anregung des Vorsitzenden des Deutschen Aussenusses /ur Stah lbeton (DA/St) im ForschL!ngsinsti:u t der Zem ent industrie unter Mitarbeit der Herren Dr.-lng. Bonzel, Dlpt. -I ng. Dahms, Prof. Dr.lng. Wa lz und Dr.-Ing. Wischers (federführend) aufgestellt. Das Merkblatt ist als Anhang für einen nelJbearbeitelen "KorrosIonserlaß" (Korrosionssdlulz be i Spannbeton- und Stahlbetonte il en) vorgesehen; es ist in einem Arbeitsaussdluß des DA/St beraten und von einer Belreuungsgruppe abgesch loscen worden , der die Herren BlJndesbahnoberrat Bührer, Ober· baurat GorIin , Bauing . Groos, Dipl.- Ing. Herold und Dr.-1n9. Wischers angehö rten.
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geren Endfesligkeit - vor allem bei Betonfertigteilen große wirtschaftl iche Vorteile, weil die Bauteile früher transport- und stapelfähig sind und weil man die Formen früher entschalen und somi t häufiger nutzen kann. Das gi lt besonders für Spannbeton-Fertigteile im Spannbett , die man nach DIN 4227, § 5.1, erst vorspannen und aus dem Spannbett entnehmen darf, wenn die Betondruckfestigkeit wen igstens 80 % der vorgeschriebenen 28 Tage-Druckfestigkeit erreicht hat, also bei B 450 wenigstens 360 kp/cm2 und bei 8 600 wenigstens 480 kp/cm2 beträgt.
Die bisherigen Untersuchungen und Veröffentlichungen über die Wärmebehandlung von Beton [1 bis 171 sowie die "Allgemeinen Empfehlungen für die Anwendung der Wärmebehandlung bis 100 oe in Betonwerken" (18J befaßten sich daher ausschließlich mit der Frage, durch welches Vorgehen die Frühfes tigkeit beso nders zu steigern ist. Zur Beur teilung wurde daher meist nur die Festigkeit nach 24 Stunden, manchmal auch zu einem etwas früheren oder späteren Zeitpunkt, herangezogen.
2. Einflüsse einer Wärmebehandlung auf den Korrosionsschutz des Spannstahls
In jüngster Zeit wurde mehrfach die Vermutung geäußert, daß der Korros ionsschutz der Spannbewehrung durch eine Wärmebehandlung vermindert werden könnte. Als Gründe hierfü r wurden - im Vergle ich zu normal gelagertem Beton - mögliche stoffliche und strukturelle Veränderungen genannt, die sowohl während als auch nach der Wärmebehandlung vorliegen könnten . Eindeutige und umfassende Unlersuchungsergebnisse über diese möglichen Veränderungen liegen bislang nicht vor, jedoch kann man an Hand der bereits bekanntgewordenen Einzeluntersuchungen sowie der aus dem praktischen Verha lten gewonnenen Er· kenntnisse schon heute die höchstwahrscheinlich vorliegenden Zustände während der verschiedenen Abschnitte einer Wärmebehandlung darstellen.
2.1 Veränderte UmweHbedingungen während der Wärmebehand· lung
Während der Wärmebehandlung liegen für den Stahl im Beton hinsichtlich Korrosion etwas andere Umweltbedingungen vor als bei üblicher Temperatur, weil sich z. B. der pH-Wert während der erhöhten Temperatur etwas niedriger einstellt (pH-Wert während der Wärmebehandlung etwas über 11,0 (191. bei üblicher Zimmertemperatur etwa 12,5). Auch laufen zahlre iche physikochemische Vorgänge bei erhöhten Temperaturen schneller ab als bei Zimmertemperaturen. Viele Versuche an vorgespannten Probekörpern sowie die Praxis haben jedoch gezeigt. daß die relativ kurzzeitig einwirkende Wärmebehandlung bei Betonen übl icher Zusammensetzung praktisch nicht zu ernsthaften Korrosionsschäden des Spannstahls führt, weil sonst während oder unmittelbar nach der Wärmebehandlung eine sichtbare Korros ion oder Drahtbrüche häufiger hätten auft reten müssen. In der Bundesrepublik Deutschland sind solche Schäden nicht bekannt ge-
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worden ; auch an anderer Stel le wurden störende Veränderungen des Zustandes von Spanndrähten während einer Wärmebehandlung bislang nur bei Beton aus Zementen mit bestimmten Nebenbestandteilen gefunden [19] .
2.2 Lösliches Chtorid in wärmebehandellem Beton
M. H. Roberts [20] stellte an mit Chlorid versetzten, wässrigen Zementsuspensionen (Wasserzementwerte 1,0 und 1,5) fest, daß die Chloridkonzentration in der Lösung mit zunehmender Temperatur zunahm. Zudem fand er bei höheren Chloridzusätzen an wärme behandelten Spannbetonteilen eine größere Stahlkorrosion als an sonst gleichen, jedoch normal erhärteten Probekörpern. Dieses Ergebnis kann man nicht auf einen erhöhten Anteil von löslichem Chlorid in wärmebehandeltem Beton zurückführen, wie jüngere Versuche im Forschungsinstitut der Zementindustrie 2) gezeigt haben. Hierbei wurden Zements te in- und Zementmörtelproben mit verschieden eingestellten Chloridgehalten und mit nied rigen Wasserzementwerten von 0,25 und 0,45, wie sie im Spannbetonbau üblich sind, einer Wärmebehandlung ausgesetzt. Der Anteil des löslichen Chlorids von wärmebehandelten Proben war sowohl unmittelbar nach der Wärmebehandlung als auch in späterem Alter stets deutlich kleiner als in gleichen, normal gelagerten Proben.
Offensichtlich wird bei erhöhter Temperatur im Zementstein oder im Mörtel (niedriger Wasserzementwert) das chloridhaltige Calciumaluminathydrat nicht in dem gleichen Maße abgebaut wie in einer Zementsuspension (hoher Wasserzementwert), die Roberts verwendet hat. Es besteht daher nach derzeitiger Kenntnis kein Grund für die Annahme, daß die au~ dem Zement, dem Zuschlagstoff und dem Anmachwasser stammenden, unvermeidbaren, aber immer sehr geringen Gehalte an Chlorid im Beton durch eine Wärmebehandlung zu einer gefährdenden Konzentration des Chlorids im Porenwasser des Betons führen.
2.3 Porenstruktur von wärmebehandeltem Zemenlsleln
Der Korrosionsschutz des Stahl hängt in starkem Maße von der Gasdurchlässigkeit (von Wasserdampf, Kohlensäure, Sauerstoff usw.) der Betonüberdeckung ab, die im wesentlichen von der Porosität des Zementsteins bestimmt wird. Verschiedentlich wurde nun zur Diskussion gestellt, ob die Porenstruktur und d ie Gasdurchlässigkeit des Zementsteins durch eine Wärmebehandlung ungünstig beeinrlußt werden, ähnlich wie dies bei einer Dampfdruckhärtung festgestellt wird.
Bei einer Dampfd ruckhärtung mit Temperaturen im Bereich von 175 cC und Dampfdrücken von rd . 8 atü entstehen durch die " Kalk-Quarzsand-Reaktlon" wesentl ich gröbere Hydratationsprodukte, die zwar auch hohe Festigkeiten liefern, jedoch um ein Vielfaches gas- und flüssigkeitsdurch lässiger sind. Im Gegensatz
!) Die Versuche wurden von der Chemisch -Mineralogischen Abte ilung des Instituts unter Leitung von Prof. Dr. F. W. Locher durchgeführt.
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zur Dampfdruckhärtung findet bei der Wärmebehandlung mit der ihr eigenen Temperatur unter 100 ° C eine " Kalk-QuarzsandReaktion" nicht statt, sondern es bilden sich im wesentlichen gleiche oder sehr ähnl iche Hydratationsprodukte wie im Temperaturbereich von 20 ° C. Hinsichtl ich der Durchlässigkeit von Gasen und Flüssigkeiten weist daher wärmebehandelter Zementstein einen ähnlich hohen Widerstand auf w ie normal gelagerter Zementstein.
2.4 Verhalten wärmebehandelter Spannbetonelemente über lange Zeit
Im Vergle ich zu anderen Spannbeton-Fertigteilen sind SpDn:i beton-Schwellen hinsichtlich Korrosion denkbar ungünstigen Umweltbedingungen ausgesetzt; hinzu kommt n och eine dynamische Beanspruchung. Spannbeton-Schwellen werden bei ihrer Herstellung im allgemeinen wärmebehandelt. Seit Anfang der fünfziger Jahre sind in Deutschland viele Millionen SpannbetonSchwellen eingebaut worden, die zum Teil se it über 10 Jahren liegen, ohne daß bisfang ernsthafte Schäden infolge Spannstahlkorrosion festgestellt worden sind. Das beweist, daß eine sachgemäße Wärmebehandlung den Korrosionsschutz von Spannstahl in zweckmäßig zusammengeselztem Spannbeton mit ausreichender überdeckung weder während noch nach der Wärmebehandlung wesent lich beeinträchtigt.
3. Ursachen für Gefügeänderungen in wärmebehandelten Beton-teilen
Ein dauerhafter Korros ionsschutz wärmebeh andeller SpannbetonFert igte il e setzt voraus, daß die Wärmebehandlung nicht ausschließlich auf die Druckfestigkeit abgestimmt wird, sondern auch auf den Korrosionsschutz Rücksicht nimmt. Denn eine weniger zweckmäßige Wärmebehandlung kann zwar eine ausreichende Frühfestigkeit liefern, gleichzeitig jedoch Gefügestörungen in der äußeren, die Spannstähle überdeckenden Betonschicht hervorrufen und dadurch einen dauerhaften Korrosionsschutz verhin dern. Gefügelockerungen oder feine Risse in der äußeren Schicht treten bei unsachgemäßer Wärmebehandlung überwiegend infolge ungleichmäßiger Wärmedehnungen oder Verkürzungen auf. Die Ursachen für ungleichmäßige Verformungen liegen in den untersdl iedlichen Wärmeausdehnungs koeffizienten der Betonbestandtei le, der ungleichmäßigen Erwärmung oder Abküh lung der Betonteile über dem Querschnitt und dem Sdlwinden durch Aust rocknen während oder unmittelbar nach der Wärmebehandlung.
3.1 Wärmeausdehnungs koeffizienten der Betonbestandteile
Verdichteter Frischbeton enthält im wesentlichen Zusch!agstolf. Zement und Wasser sowie 1 bis 2 % Luftporen. Außerdem sind im Beton Stahleinjagen enthalten, und der frische Beton hängt mehr oder weniger am Boden und an den Seitenflächen einer Schalung.
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Der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient der Zuschlagstotfe, die im Beton rd. 3/~ des Volumens einnehmen, liegt in der Größenordnung von 10.10 - 6/ oe. Nur wenige Zuschlagstoffe haben einen Wärmeausdehnungskoetfizienten unter 5.10 - 6/ oe (z. B. einige Kalksteine), und nur bei sehr wenigen Zuschlägen überschreitet er 12.10- 6/ oe wesentlich (z. B. Schwerspat). Die Wärmeausdehnungskoeffizienten von Zementstein und Stahl liegen in der gleichen Größenordnung wie die des Zuschlags.
Dagegen hat Wasser - wie nahezu alle Flüssigkeiten - eine rd. 10mal so große Wärmedehnung (darauf beruht der Thermometereffekt). Der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient von Wasser ist zudem stark temperaturabhängig; er beträgt im Bereich von 20 bis 40 (Je im Mittel 101 .10 - 6/ oe.
Luft dehnt sich - wie alle Gase - bei einer Erwärmung noch um eine Zehnerpotenz stärker aus als Flüssigkeiten. Wenn Luft sich frei ausdehnen kann (Druck p :::::; const.), dann beträgt der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient rd. 1220. 10- 6/ oe. Oie Luftporen im Beton mit geschlossenem Gefüge können sich jedoch nicht frei dehnen , das heißt, die Erwärmung bewirkt zunächst einen Luftdruckanstieg in der Pore. Unter der Voraussetzung, daß die Porenwände bei dem Druckanstieg nicht nachgeben, das Volumen der Pore somit während der Erwärmung gleich groß bleibt, steigt der Luftdruck bei einer Erwärmung von z. B. 20 auf 80 oe um 0,23 kp/cm 2 an.
Der Wärmeausdehnungskoeffizient von Holz (z. B. bei Holzformon) ist in Faserrichtung verhältnismäßig kle in und beträgt nur 3 bis 4.10- 6/ oe; senkrecht zur Faserrichtung ist er rd. 10mal größer.
Auch bei einer über dem gesamten Querschnitt gleichmäßigen Temperaturänderung können daher Bewegungen in dem mohr oder weniger erstarrten Betongefüge auftreten, weil die verschiedenen Bestandteile selbst und der Beton gegenüber seiner Form (Holz, Stahl oder Beton) verschiedene Wärmedehnungen aufweisen. Schon dadurch können also Gefügelockerungen hervorgerufen werden [21,22].
3.2 Temperaturunterschiede im Betonteil
Bei einerWärmebehandlung wird die Wärme immer nur an bestimmten Stellen auf das Betontei l übertragen, z. B. bei einer beheizten Schalung auf die geschalte Betonoberfläche oder bei einer Dampfoder Warmluftbehandlung direkt auf die ungeschalle Betonoberfläche und indirekt über die Schalung. Die Wärmeleitzahl des frisch erstarrten, wassersatten Betons liegt je nach Zuschlagart meist unter 2 kcalfm h oe und ist damit verhältnismäßig gering (Stahl z. B. 40 bis 50 kcal/m h Oe). Der Wärmetransport von den Wärmeübergangsstellen des Betonteils zu den weiter davon entfernt liegenden Stellen des Querschnitts ist daher relativ langsam und erfordert bis zur gleichmäßigen Erwärmung oder Abkühlung entsprechend viel Zeit. Temperaturunterschiede im Querschnitt des Betonteils sind daher unvermeidbar. Sie sind um so größer, je dicker das Bautei l ist und je schneller und höher die Temperatur an den Wärmeübergangsstellen gesteigert wird. Größere Temperaturunterschiede sind auch zu erwarten, wenn die Wärmeüber-
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gangsfläche im Vergleich zum Betonvolumen sehr klein ist. Dünne, feingliedrige Betonteile sind in dieser Hinsicht günstiger als massige Bautei le. Eine wärmedämmende Schalung, z. B. aus Holz, kann auch die Wärmeübergangsfläche in einem Wärmeraum unter sonst gleichen Verhällnissen vermindern.
Temperaturunterschiede im Betonteil können auch dadurch zustande kommen, daß die Wärmezufuhr an den verschiedenen Wärmeübergangsstellen unterschiedlich ist, wenn z. B. die Schalung unterschiedl ich aufgeheizt wird oder wenn die Temperatur in einem Wärmeraum ungleich verteilt ist. Das ist in besonderem Maße der Fall , wenn ein Dampfstrahl unmittelbar auf die ungeschalte Betonoberfläche oder auch auf eine eng begrenzte Schalfläche strömt.
Beim Erwärmen wird zu Anfang die Randzone des Querschnitts immer wärmer als der Kern sein. In der Randzone werden daher die Reaktionen des Zements mit dem Wasser schnelter und früher stattfinden als im Kern. Die über dem Querschnitt ungleichmäßige Hydratation kann ebenfalls zu Formänderungen und Spannungen führen, die hier nur überlegungsmäßig angedeutet werden sollen. Verbunden sind mit der Hydratation das Erstarren und Erhärten, ein gewisses Schrumpfen und das Freiwerden der Hydratationswärme. Die Randzone wird bereits erstarrt sein, .,venn der Kern noch verformbar ist. Steigt d ie Temperatur in der Randzone nach dem Erstarren gegenüber dem Kern noch weiter an, dürfte hierdurch eine Druckvorspannung in der Randzone entstehen. Sie wird vermutlich durch das mit der Hydratation verbundene Schrumpfen teilwe ise abgebaut. Erwärmt sich anschließend der Kern ebenfalls, so wird die Wärmedehnung des Kerns die der Randzone übertreffen, vor allem dann, wenn durch die Hydratationswärme des Kerns die Temperatur im Kern größer als in der Randzone wird; dadurch können in der Randzone Zugspannungen entstehen. Ob die über dem Querschnitt ungleichmäßige Hydratation in dem jungen, mehr oder weniger erstarrten Beton zu solchen Formänderungen und Spannungen führen kann, daß Gefügelockerungen entstehen, ist sehr fraglich und durch Versuche nicht nachgewiesen. Störende Formänderungen und Spannungen werden jedoch um so weniger auftreten, je geringer die Temperaturunterschiede über dem Querschnitt durch eine zweckmäßige Erwärmung gehalten werden.
Temperaturunterschiede treten auch stets beim Abkühlen der wärmebehande lten Betonteile auf. Sie sind dabei ebenfalls um so größer, je schneller abgekühlt wird und je dicker die Teile sind. Die Temperaturunterschiede sind auch größer, wenn das Abkühlen nicht allseitig, sondern nur einseitig erfo lgt.
3.3 Schwinden durch Austrocknen
Alle Baustoffe aus hydraulischen Bindemitteln schwinden beim Austrocknen in begrenztem Umfang. Rasches und frühzeitiges Austrocknen führt zu größerem Schwinden als langsames Austrocknen. Ähnlich wie die Wärmeleitung findet die Diffusion der Feuchtigkeit im Beton nur relativ langsam statt. Wird also der Beton einer stark austrocknenden Umgebung ausgesetzt, dann
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trocknen und schwinden die äußeren Schichten der Betontei le wesentlich rascher und stärker als der Kern. Hierdurch entstehen in der Oberflächenschicht Zugspannungen, die zu Schwindrissen führen können.
Die Feuchtigkeit wandert in einem System stets zu den kälteren Zonen. Bei konstantem Wassergehalt der Luft nimmt die Tel. Luftfeuchtigkeit mit zunehmender Temperatur ab. Beispielsweise beträgt bei einem abSOluten Wassergehalt von 15 g/ kg Luft bei 20 oe die reL Luftfeuchtigkeit rd. 100 % (Taupunkt), bei einem Anstieg der Temperatur auf 65 oe sinkt die rel. Luftfeuchtigkeit auf weniger als 10 %.
Luft bewirkt ein um so stärkeres Austrocknen, je niedriger die rel. Luftfeuchtigkeit ist und je höher die Geschwindigkeit der Luft ist, die an dem austrocknenden Teil vorbe istreicht. Ruhende Luft trocknet auch bei niedriger re l. Luftfeuchtigkeit wen ig aus, weil sich unmittelbar über der austrocknenden Oberfläche ein Lokalkl ima mit höherer Luftfeuchtigkeit bildet.
Beim Erwärmen sind die Betonteile über den größten Teil der Behandlungsdauer kälter als die umgebende Luft. Da die Feuchtigkeit in einem geschlossenen System zu den kälteren Zonen wandert, ist die Gefahr des Austrocknens in diesem Abschnilt der Wärmebehandlung sehr klein, wenn nicht verhältnismäßig trockene, warme Luft über ungeschalte Betonflächen streicht. Schon das bloße Abdecken mit Folien verhindert eine solche Luftbewegung.
Beim Abkühlen sind die Betonteile immer wärmer als ihre Um~ gebung. Die Feuchtigkeit wandert daher in diesem Abschnitt der Wärmebehandlung immer aus den Betonteilen heraus, auch wenn in einem geschlossenen Wärmeraum die rel. Feuchtigkeit der Luft wegen der absinkenden Temperaturen ständ ig in der Nähe des Taupunktes liegt. Die Gefahr eines scharfen Austrocknens ist in diesem Abschnitt der Wärmebehandlung besonders groß, vor allen Dingen dann, wenn durch Öffnen der Wärmekammern oder bei Entnahme der BetonteiJe aus der Wärmekammer die Temperatur der umgebenden Luft wesentl ich n iedriger als die der Betonteile ist und frei zirkulieren kann. Die Luftschichten in unmittelbarer Nähe des Betonteils erwärmen sich dann; dadurch sinkt ihre rel. Luftfeuchtigkeit, d. h. sie sind in der Lage, größere Mengen Feuchtigkeit aufzunehmen. Da die warme Luft le ichter als die kalte Luft ist, steigt sie zudem auf und bewirkt so eine ständige, austrocknende Luftbewegung an der Oberfläche der noch warmen Betonteile. Es ist anzunehmen, daß es gerade solche Verhältnisse sind, die zu Krakelrissen in der Oberflächenschicht des Betons führen, wie sie manchmal unmitteIbaI nach Entnahme von Betonfertigteilen aus dem Wärmeraum beobachtet werden.
4. Maßnahmen bei der Wärmebehandlung
4.1 Allgemeine Angaben zur Wärmebehandlung
Eine Wärmebehandlung läßt sich unterte ilen in das Vorlagern, das Erwärmen, das Verweilen bei der Höchsttemperatur, das
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Abkühlen und das Nachbehandeln (s iehe Bild 1). Welche Höchsttemperatur zweckmäßig ist und wie lang e die verschiedenen Abschn itte der Wärmebehandlung zu wäh len sind, hängt von vielen Einflußgrößen ab; sie lassen sich nur durch Eignungsversuche zuverlässig festlegen. Im allgemeinen liegt die Höchsttemperatur im Bereich von 50 bis 80 oe; bei massigen Fertig'leilen oder bei schnell erhärtenden Zementen (Z 475) sind dabei Tempera turen im unteren Teil dieses Bereiches zweckmäßig, bei fe ingliedrigen Bauteilen oder bei langsam erhärtenden Zementen hingegen jene im oberen Teil.
.ii (max.100 'e) ~
~ ~
o .1
Vorlagern Erwärmen Verweilen bei der I Höchsttemperatur
AbHühlen
Zeit
flach· behandeln
Bild 1 Zeit-Temperatur- Kurve emer Wärmebehandlung miL den verschiedenen Verlahrensabsch niUen
Beim Bau von Wärmeräumen, bei der Anord nung und beim Betrieb der Heizeinrichtungen sowie bei der Belegung ist darauf zu achten, daß zu keinem Zeitpunkt der Wärmebehandlung größere Temperaturunterschiede im Wärmeraum vorhanden sind. Bei einer Dampfbehandlung soll sich der Dampf möglichst schnell gleichmäßig im Rau m verteilen. Er darf nicht direkt auf freie Betonflächen oder auf dünnwandige Stahlformen strömen. Da die Wärme im Raum stets nach oben steigt, sind die Dampf- und Heizeinrichtungen zweckmäßig möglichst tief anzuo rdnen (ei ne Ausnahme hiervon bilden gg1. Infrarotstrah ler).
Zumindest beim Ein fahren ei nes neuen Wärmeraumes oder bei anderer Belegung ist die Gleichmäßigkeit der Temperaturverleilung zu überwachen, z. B. durch ein fache Steckthermometer. Darüber hinaus sollte durch ein selbständig registrierendes Gerät der gesamte Temperaturverlauf der Wärmebehandlung an einer kennzeichnenden Stelle ständig erfaßt werden. Hierzu genügt z. B. ein ein facher Thermograph mit einem Federu hrwerk (Bild 2) oder ein Mehrfachr::.hre iber (Bild 3) . Diese Geräte kön-
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Il~ 11
Bild 2 Fern-Thermograph mit einem Meßfüh ler . Temperaturmeßbereich bei Bestellung wahlbar, z. B . 0 b is 100 " C. Aegistrierzeit wahlweise auf 7 Tage oder 24 Stunden e instellbar (Werkloto: WiJh. LambreCh t KG ., GÖtlingen)
(?_ .. -
Bild 3 Fern-Thermograph (Dreifachschreiber) mit dre i getrennten Me6!ühlern. Temperaturbere ich bei Bestellung wähl bar , z. B. 0 bis 100 oe. Reg is tr ierzeil wahlweise auf 7 Tage oder 24 Stunden einstellbar (Werkloto: Adol! Thies, Götlingen-Geismar)
nen mit einer umschaltbaren Umdrehungsgeschwindigkeit geliefert werden: beim Ein fahren registriert man zweckmäßig m it einer Umdrehung pro Tag , um alle Abschnitte zu erfassen ; zur Überwachung im laufenden Betrieb genügt dann eine Umdrehung je Woch e.
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Während der gesamten Wärmebehandlung darf der Beton nicht austrocknen. Schon während der Vorlagerung sollte er daher abgedeckt oder im geschlossenen Wärmeraum gelagert werden, zumindest jedoch vor Zugluft geschützt werden. Bei einer Dampfbehandlung ist eine feuchtigkeitsgesättigte Atmosphäre zumindest während des Erwärmens und beim Verweilen bei der Höchsttemperatu r gewährleistet. Beim Erwärmen durch andere Einr ichtungen ist darauf zu achten, daß kein oder nur sehr wenig Wasser aus dem Beton verdunstet, z. B. durch allseitigen Abschluß der Form oder durch Abdecken mit Folien. Die Gefahr des Austrocknens, vor allem der äußeren Zone, besteht besonders beim Abkühlen ; Maßnahmen hierzu siehe unter Abschnitt 4.5.
4.2 Vorlagern
Nach dem Verdichten und Abgleichen muß der Beton eine gewisse Zeit vorlagern. Im frisch verdichteten Beton liegen die Ausgangsstofle noch ohne starre Bindung vor, so daß sich bei einer Erwärmung jeder Bestandteil gemäß seinem Wärmeausdehnungskoeffizienten praktisch frei dehnen kann. Vor allem die im Vergleich zu den festen Stoffen großen Ausdehnungskoeffizienten des Wassers und der eingeschlossenen Luft bewi rken bei einer Erwärmung im frisch verdichteten Beton ein schwaches Auftre iben. Mit einem stärkeren Erwärmen darf daher erst begonnen werden, nachdem sich bereits einige Hydratationsprodukte gebi ldet haben und der Beton dadurch so weit verfestigt ist. daß ein stärkeres Auftre iben verhindert wi rd. Hierzu ist eine Festigkeit in der Größenordnung von 7 bis 8 kp/cm2 erforderlich [22}, die in etwa vorliegt, wenn der Beton erstarrt ist. Durch eine Vorlagerung bei etwa 15 bis 25 oe als Betontemperatur bilden sich auch die Hydratationsprodukte in einer Struktur, die eine höhere Festigkeit liefert [23, 24].
Der Erstarrungsverlauf des Betons hängt in erster Linie vom verwendeten Zement, von der Betontemperatur und der Belonzusammensetzung ab. Daher kann ein allgemein gültiger Richtwert für die Vorlagerungszeit nicht angegeben werden. Schnell erhärtende Zemente mit großer Mahlfeinheit haben im allgemeinen einen kürzeren Erstarrungsbeginn (Kennwert für diejenige Zeit, bis zu der sich eine größere Menge an Hydratationsprodukten gebildet hat) als langsam erhärtende Zemente. Sie ermöglichen daher im allgemeinen eine kürzere Vorlagerungszeit.
Die fortschreitende Bildung der Hydratationsprodukte, d ie sowohl das Erstarren als auch die sich daran anschließende Erhärtung bewirkt, ist bei al len Zementen stark temperatu rabhängig, wenn auch in verschiedenem Maße bei den einzelnen Zementarten. Höhere Temperaturen beschleunigen die Hydratation, d. h. Frischbeton mit einer Temperatur von 20 bis 25 oe (im Sommer) erstarrt wesentlich schneller als Frischbeton gleicher Zusammensetzung mit nur 5 bis 10 oe (im Winter). Folglich kann im Sommer unter sonst gleichen Verhältnissen die Vorlagerungszeit kürzer sein als im Winter. Auch kann man die erforderliche Vorlagerungszeit bis um 30 % abkürzen, indem man warmen Frischbeton herstellt, z. B. mit vorgewärmtem Anmachwasser [22J. Die Frischbetontemperatur sol!te jedoch 30 oe nicht überschreiten, da
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andernfalls ein beginnendes Versteifen und erschwertes Ein· bringen und Verdichten die Folge sein können.
Es ist auch möglich, den verdichteten Beton in der Schalung durch eine mäßige Wärmebehandlung während der Vorlagerung etwas anzuwärmen (Vorwärmen). Jedoch verlangt dies besonders feine Steuerungsmöglichkeilen. In einer Veröffentlichung [25}, die erst nach Fertigstellung des Merkblattes zugänglich war, wird ein Vorwärmen des frischen Betons mit Warmluft von rd. 55 oe ohne jegliches Abdecken der Betonteile empfohlen. In zugehörigen Laboruntersuchungen an 10-cm-Würfeln konnten mit einer solchen Warmluftvorlagerung und einer anschließenden Dampfbehandlung in der vorgegebenen Zeit von 6 Std. die höchsten Festigkeiten erreicht werden. Es erscheint jedoch fragl ich, ob eine solche Warmluftvorlagerung zweckmäßig ist, weil ein teilweises Austrocknen der Oberflächenschicht während der Warm[urtbehandlung sehr wahrscheinlich ist.
Steife Betone mit niedrigem Wasserzementwert erstarren und erhärten schneller als weiche Betone mit hohem Wasserzusatz. Ein möglichst niedriger Wasserzusatz ist auch vortei lhaft, weil der vo[umenmäßige Anteil des Wassers mit seinem hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten dann kleiner ist.
Die unbedingt erforderliche Vor[agerungszeit kann man nur durch Vorversuche unter Betriebsbedingungen ermitte ln. [n der Regel liegt sie zwischen 1 und 3 Stunden. Sie ist um so kürzer, je schneller der Zement erstarrt und erhärtet, je höher die Betonausgangstemperatur ist, je niedriger der Wasserzementwert und der Zementleimgehalt sind und je geringer die Erwärmungsgeschwindigkeit und die Höchsttemperatur sind. Bei nicht zu massigen Fertigteilen aus steifem, zementreichem Beton mit Z 475 und nicht zu niedriger Frischbetontemperatur kann bei kontrollierter langsamer Erwärmung daher die Vorlagerungszeit auch unter 1 Stunde liegen, ohne daß sich dies nachteilig auswirkt.
4.3 Erwärmen
Das Erwärmen soll möglichst stetig und nicht zu schnell geschehen. Ein unstetiges Erwärmen, z. B. in Stufen mit großen Temperatursprüngen, bewirkt auch große Temperaturunterschiede zwischen der äußeren Zone und dem Kern des BauteBs. Ein zu schnelles Erwärmen ruft wegen der geringen Wärmeleitfähigkeit des Betons ebenfalls größere Temperaturunterschiede zwischen der äußeren Zone und dem Kern hervor. Aus diesem Grunde ist es also nicht angebracht, bei einer Dampfbehandlung unmittelbar nach der Vorlagerungszeit den Wärmeraum in kurzer Zeit auf die vorgesehene Höchsttemperatur zu bringen.
Der Wärmeausdehnungskoeffizient des Wassers steigt mit der Temperatur stark an. Aus diesem Grunde ist der Quelldruck des Wassers bei der Erwärmung von 60 auf 70 oe beträchtlich höher als von 20 auf 30 oe. Der Beton muß also bei höheren Temperaturen fester sein als bei niedrigen, um diesen Druck ohne Gefügestörungen aufzunehmen. Das bedeutet, daß die Verfestigung dem Quelldruck des Wassers bei der Erwärmung stets voraus~ eilen muß, d. h. auch aus diesem Grunde darf die Geschwindigkeit des Erwärmens nicht zu groß sein.
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Bei der Hydratation wird ein Te il des Wassers in die Hydratationsprodukte dichter eingebaut. Dadurch entsteht im Zementste in etwas Raum (inneres Schrumpfen) für das sich mit höherer Temperatur stärker ausdehnende fre ie Wasser. Bei sehr raschem Erwärmen hinkt wah rscheinlidl die Entstehung des freien Raums hinter der Raumvermehrung durch die Ausdehnung des Wassers nach.
Eine längere Vorlagerungszeit gestattel ein etwas sdlnelleres Erwärmen, umgekehrt erfordert eine kurze Vorlagerungszeit ein langsames Erwärmen. Günstig sind allgemein eine Frischbetontemperatur um oder etwas über 20 oe, unter Umständen ein leichtes Vorwarmen zu Beginn der Vorlagerungszeit und ein stetiges Aufheizen mit einer Geschwindigkeit zwischen 10 und 20 grd je Stunde. Die Geschwindigkeit des Erwärmens s01lle in der Regel 20 grd je Stunde nicht überschreiten , es sei denn , daß der Beton unler gleichzeitigem äußerem Druck wärmebehandelt wird
4.4 Verweilen bei der Höchsttemperatur
Durch Steigerung der Höchsttemperatur kann man die für die gleiche Festigkeit erforderliche Zeit der Wärmebehandlung verkürzen; jedoch ist zu beachten , daß der Höchsttemperatur in Abhängigkei t vom verwendeten Zement und von der Dicke des Bautei1s Grenzen gesetzt sind. Grundsätzl ich können höhere Temperaturen zu stärkeren Gefügebeanspruchungen führen. Es ist daher zweckmäßiger, zur Erlangung einer unversehrten Betonüberdeckung bei niederer Höchsttemperatu r eine entsprechend größere Verwei lzeit zu wäh len. Dies kann allerd ings je nach Anlage wenige r wirtschaftlich sein; das Optimum von Höchsttemperatur und Verweilzeit muß daher unter Beachtung aller Umstände durch Versuche ermittelt werden.
Meist beträgt die Verweilzeit be i der Höchsttemperatur 2 bis 4 Stunden. Bei einem hinsichtlich der Beanspruchung des Gefüges günstigen, langsamen Erwärmen kann die Verwei lzeit praktisch ganz entfallen, vor allem dann, wenn die Abkühlgeschwind igkeit eben falls klein ist.
4.5 Abkühlen
Beim Abkühlen wärmebehandelter Betone ist ein Temperaturgefälle vom Kern zur Oberfläche unvermeidbar; dieser Temperaturunlerschied bewirkt Zugspannungen in der Oberflächenschicht. Trocknet der 8eton während des Abkühlens auch noch stark aus - was leicht eintreten kann, weil der Betonkörper wärmer als seine Umgebung ist - , dann überlagern sich in der äußeren Zone Schwindzugspannungen mit den temperaturbedingten Zugspannungen. Die Zugfestigkeit wärmebehandelter Betone liegt in der Größenordnung von 10 bis 30 kp/cm2• Wenn Risse in der Oberflächenschicht nicht auftreten dürfen, dann muß die Zugspannung aus Temperaturunterschied und Schwinden kleiner bleiben als d ie Zugfestigkeit. Die temperaturbedingten Risse in der Oberflächenschi cht schließen sich allerd ings wieder nach vollständigem Ausküh len.
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Oie Zugspannungen infolge Abkühlens in der äußeren Zone kann man mit der nachfolgenden Gleichung [26] überschlagsmäßig berechnen:
aZUg :::: kD • LI t . a t • E
1 + 'F [kp/cm']
Hierbei sind:
kn
~t
"t
E
'r
=
= =
Einfluß des Temperaturverlaufs über dem Querschnitt (zwischen 0,5 und 1,0)
Tempera turuntersch ied zwischen Kern und Außenfläche
Wärmeausdehnungszahl des Betons (etwa 10 - 5/ oe)
Elastizitätsmodul des Belons (1 bis 3 . 105 kp /cm 2)
Kriechzahl, zeitabhängig
Bei schnellem Abkühlen strebt kD gegen 1,0 und die Kriechzah l rp gegen Null. Damit vereinfacht sich die Gleichung zu
aZug :::: LI t • a t • E [kp/cm2J
Hieraus errechnen sich Zugspannungen von über 20 kp/c m2, wenn
der Temperaturunterschied mehr als 10 g rd beträgt und wenn der Elastizitätsmodul des auf Zug beanspruchten Betons 200000 kp /c m2 groß ist; ein niedrigerer Elastizitätsmodul ist günstiger. Mit Rissen ist jedoch immer zu rechnen, wenn der Temperaturunterschied zwischen Kern und Oberfläche 20 grd überschreitet.
Der Temperatu runterschied im Betonteil hängt nicht nur von der Geschwindigkeit ab, mit der die Oberfläche abgekühlt wird, sondern wegen der geringen Wärmeleitfähigke it des Betons auch von der Dicke des SauteUs. Je dicker die Bauteile sind, desto langsamer so llen sie abkühlen. Grundsätzlich ist auch darauf zu achten, daß die 8etonteile nicht einseitig abkühlen ; das gilt besonders für lange oder große Teile, weil sonst Verwölbungen und Risse entstehen können.
Vielfach ist es zweckmäßig, die Betonteile nach dem Verweilen bei der Höchsttemperatur zunächst zum Abkühlen im Wärmeraum zu belassen. Dabei trocknen die Betonteile zwar auch etwas aus, weil das Wasser durch eine Luftzirkulation von den warmen 8etonteilen zu den auskühlenden Wänden des Wärmeraums wandert und dort kondensiert.
Dieses Austrocknen ist jedoch nicht scharf, weil die Lultbewegungen im geschlossenen Wärmeraum klein bleiben und weil die Tel. Luftfeuchtigkeit beim Abkühlen stets in der Nähe des Taupunktes liegt. Küh len die Teile in dem geschlossenen Wärmeraum langsam ab, dann dürften nur geringe Zugspannungen an der Oberfläche der Betonteile in folge von Temperaturunterschieden oder Schwinden zu erwarten sein. Dagegen ist die manchmal geübte Praxis, den Wärmeraum an zwei gegenüberl iegenden Seiten zu öffnen, um durch Luftzug für eine schnellere Abküh lung zu sorgen, sehr schädlich. weil die Teile nicht nur zu schnell einseitig abkühlen, sondern weil sie zusätzlich rasch austrocknen. Wenn man die Betonteile schnell abkühlen will, z. B. um ein Spannbett oder den Wärmeraum wieder zu belegen, dann ist dies technisch einwandfrei nur mit Wasser möglich, um wenigstens das scharfe Austrocknen zu verhindern. Damit keine zu großen Temperaturunterschiede zwischen Betonkern und -ober-
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fläche auftreten, darf das Wasser jedoch nur etwa 20 bis 30 grd kälter sein als der Kern des Betonteils. Der Temperaturunterschied zwischen Beton und Wasser darf etwas größer sein, wenn die Betonteile nur wiederholt kurz abgesprüht werden, weil sich das Wasser auf den Betonteilen dann SOfort erwärmt. Man kann jedoch nicht 80 oe warme Betonteile zum Abkühlen mit gewöhnlichem Leitungswasser (etwa 10 Oe) berieseln, ohne Risse in der äußeren Schicht des Betons befürchten zu müssen. Sol len z. B-80 oe warme Betonteile schnell gekühlt werden, dann sollte man zunächst mit vorgewärmtem Wasser von etwa 50 oe absprühen und erst nach einer gewissen Zeit (bei dicken Teilen länger) auf elwa 20 oe warmes Wasser übergehen.
Auch bei den erforderlichen Maßnahmen zum Abkühlen ist es einfacher, wenn die Höchsttemperatur nicht so hoch eingestellt ist; z. B. kommt man bei einer Höchsttemperatur von 50 bis 60 oe bei schnel lem Abkühlen mit einer KÜhlwassertemperatur von etwa 30 oe aus, oder man läßt die Bauteile im Wärmeraum oder in der Form bis auf etwa 40 oe abkühlen, um sie dann bei Entnahme nur kurz mit Leitungswasser abzusprühen.
Wärmebehandelte Betonteile so llen nach der Entnahme immer gründlich angenäßt werden, weil ihr Beton in der Regel nur noch wenig freies Wasser zur weiteren Hydratation enthält.
Bei im Spannbett hergestellten Fertigteilen kann man die Vorspannung aufbringen, wenn die dafür erforderliche Festigkeit (das sind 80 % der in Rechnung gestellten Betongüte) erreicht ist, auch wenn die Fertigteile noch nicht ausgekühlt sind. Ein Vorspannen von noch warmen Fertigteilen hat sogar den Vorteil, daß die Wärme- und Schwindzugspannungen in der äußeren Zone durch die Vorspannung abgebaut werden, so daß keine Risse entstehen. Da bei einer Wärmebehandlung im Spannbett der Beton und der Spannstahl praktisch die gleiche Temperatur haben, verkürzen sie sich auch im gleichen Maße, so daß die in diesem Zusammenhang manchmal geäußerten Vermutungen, daß ein Vorspannen des noch warmen Betons zu einem Vorspannverlust führt, nicht zutreffen.
4.6 Nachbehandeln
Meist beträgt die Festigkeit nach einer Wärmebehandlung nur 50 bis 70 % der Endfestigkeit. Werden die Betonteile nach der Entnahme aus dem Wärmeraum jedoch gründlich durchfeuchtet und noch einige Tage vor dem Austrocknen geschützt, so erhärtet der Beton meist noch stark nach . Diese Nachbehandlung ste igert nicht nur die Festigkeit des Betons, sondern auch die Dichtigkeit seines Gefüges. Haarrisse, die durch nicht ganz sachgemäßes Vorgehen bei der Wärmebehandlung entslanden sein könnten, fü llen sich bei einer längeren FeuchtbehandJung mit Hydratationsprodukten und verwachsen so wieder ineinander.
5. Zusammenfassung
Mit einer Wärmebehandlung kann man die Frühfestigkeit des Betons beträchtlich steigern, was von großer wirtschaftl icher Be-
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deutung für alle Arten von Betonfertigteilen ist. Befürchtungen, daß du rch eine Wärmebehandlung der Korrosionsschutz der eingelegten Stahl- oder Spannbewehrung vermindert wird - z. B. infolge einer weniger festen Bindung von ChIaridspuren im Zementste in - bestehen nicht, sofern das Betongefüge der den Stahl überdeckenden Schicht nicht durch die Wärmebehandlung nachteilig verändert worden ist. Weniger dichtes Gefüge kann bei einer unsachgemäßen Wärmebehandlung durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Betonausgangsstoffe, durch unterschiedliche Längenänderungen im Querschnitt infolge von Temperaturunterschieden oder durch scharfes Austrocknen auftreten. Das Merkblatt für die Herstellung geschlossener Belonoberflächen enthält in allgemeiner, gedrängter Form wichtige Hinweise und Maßnahmen, die bei einer Wärmebehandlung zur Vermeidung einer Güteminderung der korrosionsschützenden 8etonüberdeckung des Stahls einzuhalten sind.
GC HRIFTTUM
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Merkblatt für die Herstellung geschlossener Betonoberflächen bei einer Wärmebehandlung
Bei einer Wärmebehandlung wird der junge Beton für einige Stunden auf rd . 50 bis 80 oe erwärmt, um die Frühfestigkeit zu steigern. Empfehlungen, wie bei der Wärmebehandlung vorzugehen ist und nach welchen Gesichtspunkten Eignungsp rüfungen durchzuführen sind , um eine möglichst hohe Frühfest igkeit zu erzielen, sind in 1) zusammengestellt. Unter bestimmten Bedingungen kann eine Wärmebehandlung zwar eine höhere Frühfestigkeit liefern, aber gleichzeitig Veränderungen in der äußeren Betonsch icht hervorrufen , die den Korrosionsschutz der Bewehrung beein trächtigen können, Zur Vermeidung von Mängeln in der den Stah l überdeckenden und ihn gegen Korrosion schützenden Schicht dienen die nachfolgenden Hinweise.
1. Allgemeines
Zu einer Wärmebehandlung gehören das Vorlagern, Erwärmen, Verweilen bei der Höchsttemperatur sowie das Abkühlen und Nachbehandeln.
Während der gesamten Wärmebehandlung dürfen zu keinem Zeitpunkt größere Temperaturunterschiede im Wärmeraum auftreten. Der Dampfstrahl darf bei einer Erwärmung nicht unmiUe l~ bar auf fre ie Betonflächen oder dünnwandige Stah lformen auftreHen. Der Temperaturverlauf und die Gleichmäßigkeit der Temperaturverteilung im Wärmeraum sind ständig zu überwachen, mögl ichst durch ein se lbständig reg istrierendes Gerät.
Während der gesamten Wärmebehandlung darf der Beton nicht austrocknen. Ein Erwärmen durch Einblasen von Dampf gewährleistet im al lgem~inen eine feuchtigkeitsgesättigte Atmosphäre. Elek tri sches Erwärmen oder ein Erwärmen mit Heißluft oder Wärmestrah lern oder durch Beheizen der Schalung ist möglich , wenn ein stärkeres Verdunsten des Wassers aus dem Beton verhindert wird, z. B. durch allsei tigen Absch luß der Form oder durch Abdecken mit Fol ien.
1) Schäffl er, H.: Allgemeine Emprehl ungen lür die Anwendung der Wärmebehandlung bis 100 Qe in Betonwerken. Herausgegeben vom Bundesverband Deu tsche Beton- und FerUgteilindustrie e. V. , Bonn 1958.
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2. Vorlagern
Der Beton 5011 nach Füllen und Verdichten der Form bis zum Beg inn des Erwärmens bei normaler Temperatur lagern ; ein Vorwärmen des Betons bis auf höchstens 30 CJe ist während des Vorlagerns möglich. Die Vorlagerungszeit hängt von der Ausgangstempera tur, vom verwendeten Zement, vo n der Geschwindigkeit des Erwärmens und der Höchsttemperatur ab. Sie ist durch Versuche für die betreffende Betonmischung zu ermitteln ; als Richtwert für die Vorlagerungszeit gilt etwa 1 bis 3 Stunden.
3. Erwärmen
Die Geschwind igkeit des Erwärmens soll im allgemeinen 20 grd je Stunde nicht überschreiten. Plötzliches starkes Erwärmen von Teilen mit großer fre ier Oberfläche ist unzuläss ig.
4. Verweilen bel der Höchsttemperatur
Die günstigsten Verhältnisse sind durch Versuche zu ermitteln. Meist beträgt die Verweilzeit 2 bis 4 Stunden bei einer Höchsttemperatur des Wärmeraums von 50 bis 80 °C. Verweilzeil und Höchsttempera tur hängen von der nach der Wärmebehandlung gewünschten Betonfestigkeit, dem verwendeten Zement, der Betonzusammensetzung und den Abmessungen des Bauteils ab.
5. Abkühlen
Je dicker die Betonteile sind, desto langsamer müssen sie abkühlen. Eine einseitige, scharfe Abkühlung ist zu vermeiden. Während des Abkühlens dürfen die Betonteile nicht austrocknen ; sie sind deshalb möglichst lange im vollständig geschlossenen Wärmeraum zum Abkühlen zu belassen. Beim Öffnen des Wärmeraums sind sie sofort gründl ich anzunässen; warme Betontei le dürfen jedoch nicht mit kaltem Wasser längere Zeit berieselt werden.
Bei Spannbetonte ilen, die im Spann bett hergeste llt werden. soll ten - unter Beachtung der für das Vorspannen erforderlichen Betondruckfestigkeit - die Kräfte vom Spannbett auf das Beton· tei l eingeleitet werden, bevor die Teile voll abgekühlt sind.
6. Nachbehandeln
Auch nach der Entnahme und dem völligen Abkühlen ist der zunächst angefeuchtete Beton einige Tage lang vor Austrocknen zu schützen.
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