Festigkeitsentwicklung von Beton
Gelten die Formeln von CEM I noch?
Mit der Einführung des Model Code im Jahr 1990 wird die zeitabhängige Festigkeitsentwicklung von Beton nach den Formeln 1 und 2 berechnet. Dabei beschreibt bcc(t) den zeitlichen Verlauf der Festigkeitsentwicklung. Der Faktor sC wurde auf Basis der verwendeten Zementsorte festgelegt. Die Figur 1 der SIA 262:2025 basiert auf eben diesen Beziehungen.
Mit der Einführung der für die Dauerhaftigkeit des Betons so wichtigen Nachbehandlung in die Schweizer Norm SIA 262 wurde die Festigkeitsentwicklung des Betons nicht mehr durch die Festigkeitsentwicklung des Zementes sC, sondern direkt durch die Festigkeitsentwicklung des Betons r (Verhältnis der Festigkeit im Betonalter von 2 Tagen zu 28 Tagen) beschrieben. Damit wird auch der Entwicklung der Zementindustrie Rechnung getragen, die infolge des stärkeren Gewichtes auf die ökologische Nachhaltigkeit und Ressourcenschonung vermehrt Zemente entwickelt, die einen oder mehrere Zementhauptbestandteile enthalten und damit einen geringeren CO2-Fussabdruck und oder die Kreislaufwirtschaft unterstützen. Ob die bisherigen, auf CEM I basierenden Formeln für die neuen Zemente noch Gültigkeit haben, war bislang nicht untersucht worden.
Deshalb wurde im Rahmen des durch die cemsuisse finanzierten Forschungsprojekts Nr. 201404 die Festigkeitsentwicklung (Druck- und Zugfestigkeit) für Betone mit unterschiedlichen Zementarten (oder Betonrezepturen) und Lagerungen (nass oder trocken) über einen Zeitraum von zehn Jahren untersucht.
Die Druck- und Zugfestigkeit sowie die Karbonatisierungstiefe (bei Trockenlagerung) wurden zu definierten Zeitpunkten, das heisst im Betonalter von 2 Tagen, 7 Tagen, 28 Tagen, 56 Tagen, 91 Tagen, 182 Tagen, 1 Jahr, 2 Jahren, 5 Jahren und 10 Jahren an Würfeln (150 mm Kantenlänge) geprüft.
Ergänzend dazu wurden die Ergebnisse von verschiedenen in der Fachliteratur publizierten Langzeitstudien zur Festigkeitsentwicklung von Beton ausgewertet. Damit konnten zusätzlich zu den experimentellen Arbeiten die in der Fachliteratur publizierten Zeitfunktionen der Festigkeitsentwicklung aufgearbeitet werden. Unter Annahme der Gültigkeit von bcc(t) gemäss Formel 2 kann der Faktor sC eines Betons aus zwei Druckfestigkeitswerten zweier unterschiedlicher Prüftermine ermittelt werden. Nimmt man nun die Festigkeitswerte im Betonalter von 2 Tagen fcm,2 bzw. 28 Tagen fcm,2 und bildet das Verhältnis gemäss Ziffer 6.4.6.9 der SIA 262:2025 (siehe Formel 3), dann lässt sich daraus der Faktor sC unabhängig von der Zementsorte bestimmen (siehe Formel 4).
Mithilfe der Gauss’schen Fehlerfortpflanzung kann aus den Streuungen der Festigkeitswerte im Betonalter von 2 Tagen bzw. 28 Tagen ein Fehlerband der Prognose abgeschätzt werden. Bild 1 zeigt die Festigkeitsentwicklung über den Zeitraum von zehn Jahren an einer Betonsorte (310 kg/m3 Zement der Sorte CEM II/A-LL 42,5 N, w/z = 0.50). Zur besseren Darstellung ist die Abszisse (Zeitachse) transformiert (siehe Formel 5).
Neben den Messwerten inkl. den Fehlerbalken ist der zeitliche Verlauf der Festigkeitsentwicklung entsprechend den Formeln 1 und 2 auf der Basis von r gemäss Formel 3 sowie das Fehlerband entsprechend dem Gauss’schen Fehlerfortpflanzungsgesetz dargestellt. Es ist deutlich erkennbar, dass die Festigkeitsentwicklung für t > 28 d in einer trockenen Umgebung weniger ausgeprägt ist als in einer nassen Umgebung.
Diese Ergebnisse wurden z. B. durch Wood auch in der Literatur bestätigt. Wood untersuchte in seiner Prüfkampagne die Festigkeitsentwicklung über einen Zeitraum von über 20 Jahren. Analog zu Bild 1 ist in Bild 2 deutlich erkennbar, dass die Festigkeitsentwicklung für t > 28 d in einer trockenen Umgebung weniger ausgeprägt ist als in einer nassen Umgebung.
Die Forschungsergebnisse können zusammenfassend wie folgt beschrieben werden:
- Die Festigkeitsentwicklung kann mit dem sC-Konzept, das heisst nur auf der Basis der Zementart allein, nicht zutreffend abgeschätzt werden.
- Mithilfe des r-Konzeptes kann die Festigkeitsentwicklung von Beton ausreichend genau beschrieben werden.
- Der Parameter sC kann problemlos aus dem Festigkeitsverhältnis r bestimmt werden, siehe Gleichung (4).
- Der Prognosefehler ist aufgrund der streuenden Festigkeitswerte nicht zu unterschätzen. Diesem Umstand ist insbesondere bei der Überprüfung bestehender Tragwerke gebührend Beachtung zu schenken.
Für die Erarbeitung des Nationalen Anhangs NA zur SN EN 1992-1-1:2023 [8] wurden als Ergebnis des Forschungsprojekts Empfehlungen erarbeitet. Es konnte gezeigt werden, dass die Gleichungen (B.1) und (B.2) der SN EN 1992-1-1:2023 für t > 28d ohne Widerspruch verwendet werden können, falls der Parameter sC aus dem Verhältniswert r gemäss Gleichung (3) bestimmt wird und für sehr dünnwandige Bauteile oder Bauteile in trockener Umgebung um 1/3 reduziert wird.
Auf Basis der Festigkeitsentwicklung r wird der Beton in die Klassen CS, CN und CR eingeteilt (siehe Tabelle 1).
Für die Überprüfung bestehender Tragwerke ist eine Schätzung der Festigkeitsentwicklung von Beton in der frühen Untersuchungsphase bedeutend. Analog der bisherigen Figur 1 der SIA 262 wurde ein mit der SN EN 1992-1-1:2023 verträgliches und ergänzendes Diagramm entwickelt. In Bild 3 sind die Bereiche der Festigkeitsentwicklung für die drei Klassen dargestellt.
