The Freeze-thaw resistance of dense concretes with low water cement ratios

Betonbauwerke müssen während ihrer Nutzungsdauer einen ausreichenden Frostwiderstand aufweisen. Jedoch führten neuerer Laboruntersuchungen zum Frostwiderstand gefügedichter hochfester Beton teilweise zu widersprüchliche Ergebnisse. Um die Zusammenhänge einer Frostschädigung differenziert und zielsicher beschreiben zu können, wurden Korrelationen zwischen der in den Frostversuchen bestimmten Änderung des relativen dynamischen E-Moduls (RDM) und anderer Betoneigenschaften wie Festigkeit oder Porosität durchgeführt. Ein weiterer Schwerpunkt war es, den Einfluss des Silikastaubs auf den Frostwiderstand zu klären. Betone mit Silikastaub und (w/z)eq < 0,35 und alle Betone ohne Silikastaub wiesen selbst nach 100 Frost-Tau-Wechseln nur geringe Änderungen des RDM’s auf. Dagegen fiel der RDM der Betone mit Silikastaub und (w/z)eq größer gleich 0,35 z. T. schon nach wenigen Frost-Tau-Wechseln deutlich ab. Bei Eintritt der Gefügeschädigung betrug der relative Porenfüllungsgrad (RPFG) in jedem Fall rd. 90 %. Somit führte eine (zumindest lokale) Überschreitung der von Fagerlund definierten „kritischen Sättigung“ zu den Gefügeschäden. Der RPFG zu Beginn der Frost-Tau-Wechsel der geschädigten Betone mit Silikastaub war im Vergleich zu dem der übrigen Betone deutlich höher. Die Ursache war der höherer Gehalt an physikalisch gebundenem Wasser in diesen Betonen. Über den Verbrauch an Ca(OH)2 wurde das C/S-Verhältnis der Reaktionsprodukte des Silikastaubs auf 0,5 bis 0,6 geschätzt. Da CSH-Phasen erst ab einem C/S-Verhältnis von ca. 0,9 thermodynamisch stabil sind, bildeten sich stabile CSH-Phasen (puzzolanische Reaktion) und hygroskopisch wirkende Alkalisilikate (Reaktion zwischen Alkalien der Porenlösung und Silikastaub). Mit zunehmendem (w/z)eq banden die Alkalisilikate auf Grund des größeren Wassergehalts mehr Wasser physikalisch. Der Wasseranteil in den Alkalisilikaten ist potentiell gefrierbar und beeinflusste den Frostwiderstand dieser silikastaubhaltigen Betone maßgeblich.Concrete structures have to have a sufficient freeze-thaw resistance during their live cycle. But recent laboratory tests concerning the freeze-thaw resistance of high strength concrete without an artificial air pore system led to particularly inconsistent results. In order to describe the effects of a frost damage differentiately and unerringly correlations were established between the change of relative dynamic E modulus (RDM) during frost test and other concrete properties like strength or porosity. Another focus was set to determine the impact of silica fume on the freeze thaw resistance of concrete. Concretes with silica fume and (w/c)eq < 0,35 as well as all concretes without silica fume showed only small changes in RDM even after 100 freeze-thaw cycles. In contrast the RDM plunged down for concretes with silica fume and (w/c)eq greater or equal 0,35 partly after only few freeze-thaw cycles. If the structural damage occurs the relative degree of pore filling (RPFG) was app. 90 %. Consequently an (at least) exceeding of Fagerlund’s “critical saturation” was the reason of the damages. The RPFG at the beginning of the freeze-thaw cycles was higher for the damaged than for the undamaged concretes. Their content of physical bounded water was identified as reason of the higher RPFG. The C/S-ratio of the products of the reacted silica fume was estimated at 0,5 - 0,6 by using the consumption of calcium hydroxide and silica fume. CSH-phases, however, are only thermodynamically stable from a C/S ratio of 0,9. Therefore stable CSH-phases (pozzolanic reaction) and hygroscopical acting alkali silicates (reaction between alkalis of pore solution and silica fume) were formed. With increasing (w/c)eq the alkali silicates bound more water physically due to higher total water content of the concrete. This water content of the alkali silicates is always freezable. It influenced, of course, the freeze-thaw resistance of these concretes with silica fume significantly