Analyse des thermisch induzierten Feuchtetransports in gefügedichten Betonen

Abstract

Beton, insbesondere hochfester Beton, neigt im Brandfall zu explosionsartigen Abplatzungen, die zu einer Reduzierung des tragfähigen Querschnitts und im schlimmsten Fall zu einem Bauteilversagen führen können. Als Ursache für explosionsartige Betonabplatzungen werden gegenwärtig thermohydraulische sowie thermomechanische Schädigungsprozesse angesehen. Zur Analyse der thermohydraulischen Schädigungsprozesse ist die Kenntnis der ablaufenden Transport-, Umlagerungs- und Freisetzungsprozesse des im Beton vorhandenen Wassers von zentraler Bedeutung. Daher liegt der Fokus der vorliegenden Dissertation auf der zerstörungsfreien Analyse des thermisch induzierten Feuchtetransports sowie der Feuchteumlagerung in Hochleistungsbeton (HPC). Insbesondere zielt die Arbeit auf den zerstörungsfreien Nachweis der Ausbildung einer Feuchteakkumulationszone im Betoninneren infolge der einseitigen thermischen Beanspruchung, entsprechend der „moisture clog“-Theorie, ab. Die experimentellen Arbeiten umfassen dabei Brandversuche an kleinformatigen Bauteilen, die zerstörungsfreie Verfolgung der Feuchteverteilung in miniaturisierten Prüfkörpern und die ergänzenden Baustoffuntersuchungen. Der Schwerpunkt liegt auf der Verfolgung der Feuchteverteilung und Feuchteumlagerung im miniaturisierten Prüfkörper mittels unterschiedlicher zerstörungsfreier Prüftechnik. Im Rahmen der Brandversuche an kleinformatigen Bauteilen wurde sowohl die Abplatzneigung der verwendeten Betonrezeptur als auch die Wirksamkeit einer Polypropylenfaserzugabe zur Vermeidung derartiger Abplatzungen nachgewiesen. Neben der visuellen Begutachtung der Prüfkörperoberflächen vor und nach der Brandbeanspruchung erfolgte ein Zustands- und Schadensmonitoring während der Brandversuche mit verschiedenartigen, zerstörungsfreien Prüftechniken sowie die Analyse der äußeren und inneren Gefügeveränderungen nach dem Brand. Feuchtetransport- und Feuchteumlagerungsprozesse konnten während der Brandversuche nur anhand des über Risse aus den Prüfkörpern austretenden Porenwassers vermutet werden. Aufschluss über den Feuchtezustand im Prüfkörper nach dem Brandversuch lieferten die begleitend durchgeführten Radarmessungen. Mithilfe dieser konnte ein zusätzlicher Reflektor im Prüfkörper horizontal zur brandbeanspruchten Oberfläche erfasst werden, der auf einen Permittivitätssprung infolge der Ausbildung einer Trocknungs- und Dehydratationsfront im Prüfkörper zurückgeführt wird. Zur Verifizierung der Ergebnisse der Radarmessungen wurde zusätzlich an einem aus den Brandprüfkörpern gewonnenen Segment die Permittivitätsverteilung über die Prüfkörpertiefe mittels eines Feuchtigkeitsmessgeräts bestimmt. Die Messungen bestätigten den vermuteten Permittivitätssprung, der mit der Ausbildung einer Trocknung- und Dehydratationsfront einhergeht. Im Rahmen der Analyse des thermisch induzierten Feuchtetransports an miniaturisierten Prüfkörpern mittels verschiedenartiger zerstörungsfreier Prüftechnik wurden die Feuchtetransportvorgänge und Feuchteumlagerungsprozesse mittels Röntgen-Computer Tomographie und Neutronen-Computer Tomographie simultan zur einseitigen Erwärmung sowie mittels 1H-Nuclear Magnetic Resonance (1H-NMR) vor und nach der Erwärmung verfolgt. Grundlage für die durchgeführten Untersuchungen bildet der entwickelte miniaturisierte Prüfkörper mit zweischaliger Umhüllung. Die Kombination aus Glaskeramik- bzw. Invarumhüllung und einer Dämmschale aus Hochtemperaturaluminiumsilikatwolle ermöglicht die Abbildung eines einseitig erwärmten, flächigen Bauteils in miniaturisierter Form unter Einhaltung der thermischen, hygrischen und mechanischen Randbedingungen. Aus den Ergebnissen der simultan zur Erwärmung durchgeführten tomografischen Untersuchungen können folgende Rückschlüsse auf die Feuchteverteilung und den thermisch induzierten Feuchtetransport gezogen werden: - Ausbildung einer Trocknungs- und Dehydratationszone ausgehend von der erwärmten Betonseite - Die erfasste Trocknungs- und Dehydratationsfront ist durch einen starken Feuchtegradient im Beton gekennzeichnet. - Eine Feuchteakkumulation tritt unmittelbar vor der Trocknungs- und Dehydratationsfront auf und geht mit einer teilweisen Vollsättigung der sichtbaren Makroporen des Betons einher. - Eine Polypropylenfaserzugabe führt zu einer schnelleren und tieferen Entwicklung der Trocknungs- und Dehydratationszone. - Die Faserzugabe verringert die Feuchteakkumulation während der Erwärmung, kann sie jedoch nicht verhindern. Auf Basis der tomografischen Untersuchungen konnten die örtlich und zeitlich aufgelösten Feuchtedifferenzen erstmals quantitativ abgeschätzt werden. Die begleitend zur Erwärmung durchgeführten 1H-NMR Messungen erlauben die vergleichende Betrachtung der Feuchteverteilung im miniaturisierten Prüfkörper vor und nach der Erwärmung im abgekühlten Zustand. Neben der tiefenaufgelösten Ermittlung des erfassbaren Feuchtegehalts wurde zusätzlich die Feuchteverteilung anhand der transversalen Relaxationszeit (T2-Zeit) porengrößenabhängig analysiert. Dabei wurde erstmals gezeigt, dass es neben der Ausbildung einer Trocknungs- und Dehydratationszone zu einer Feuchteakkumulation und einer Feuchteumlagerung von den Mikroporen zu den Mesoporen in tieferen Prüfkörperbereichen kommt. Diese Umlagerungsprozesse umfassen den Gelporen- und Interhydratporenbereich. Es wird vermutet, dass diese Umlagerungsprozesse im Zusammenhang mit der thermisch bedingten Änderung der Mikrostruktur stehen. Sowohl der erfassbare Gesamtfeuchtegehalt als auch die T2-Zeit abhängigen Feuchtegehalte wurden mittels Referenzproben quantifiziert. Im Rahmen der ergänzenden Baustoffuntersuchungen wurde die temperaturabhängige Feuchtetransport- und Feuchtespeicherkapazität sowie das temperaturabhängige Dehydratationsverhalten des verwendeten Betons charakterisiert. Die Permeabilitätsmessungen an verschiedenartig temperierten Betonzylindern verdeutlichen die Zunahme der Gaspermeabilität mit zunehmender Konditionierungstemperatur. Signifikant zeichnet sich dabei die sprunghafte Erhöhung der Permeabilität der Faserbetone beim Erreichen der Faserschmelztemperatur ab. Dies erklärt die zerstörungsfrei ermittelte, beschleunigte Feuchteabgabe der Faserbetone während der einseitigen Erwärmung. Neben der Permeabilität nimmt mit zunehmender Temperaturbeanspruchung ebenfalls die Gesamtporosität der Betone zu. Die Änderung der Porosität geht dabei mit einer Abnahme der Gelporen im Größenbereich von Ø 4-10 nm und einer Zunahme und Vergröberung der Poren im Kapillarporenbereich (Ø 10-400 nm) einher. Diese Porenstrukturänderungen sind auf die einsetzende Dehydratisierung und Zersetzung der Zementsteinphasen zurückzuführen. Zur Charakterisierung des Trocknungs-, Dehydratations- und Zersetzungsverhaltens des untersuchten Betons wurden thermogravimetrische Untersuchungen an zermahlenen Betonproben durchgeführt. Dabei zeichneten sich drei Temperaturbereiche mit erhöhtem Masseverlust ab. Diese können der Abgabe des physikalisch gebundenen Wassers und der ersten Dehydratation der C-S-H Phasen, der Zersetzung des Portlandits sowie der Entsäuerung des vorhandenen Calciumcarbonats zugeordnet werden. Die Interaktion zwischen dem temperaturabhängigen Trocknungs- und Dehydratationsverhalten und der Permeabilität des Betongefüges spielt für die Feuchtefreisetzung und die Feuchteabgabe eine zentrale Rolle. Aus diesem Grund wurden zusätzlich Erwärmungsversuche an Betonzylindern durchgeführt und der Masseverlust der Prüfkörper kontinuierlich gemessen. Die Faserbetone wiesen dabei ab dem Erreichen der Faserschmelztemperatur einen verstärkten Masseverlust auf. Dieser wird auf die verstärke Feuchteabgabe infolge der Permeabilitätserhöhung zurückgeführt. Die durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass für die Analyse des thermohydraulischen Schädigungsmechanismus sowohl der Feuchtetransport, die Feuchteumlagerung als auch die temperaturabhängige Feuchtefreisetzung eine entscheidende Rolle spielen.