Betonpraxis. Der Weg zum dauerhaften Beton. Ausgabe Schweiz

Transcription

1 Betonpraxis Der Weg zum dauerhaften Beton Ausgabe Schweiz

2 Betonpraxis Der Weg zum dauerhaften Beton Ausgabe Schweiz 6. Auflage (deutsch, Ausgabe Schweiz), Juli 2014 Für Fragen und Anregungen: Herausgeberin: Holcim (Schweiz) AG Hagenholzstrasse Zürich Schweiz Verkaufspreis: CHF 150. Autoren: Technical Expert Center: Dr. Peter Lunk Cathleen Hoffmann Erich Ritschard Dr. Jean-Gabriel Hammerschlag Kerstin Wassmann Dr. Thomas Schmidt Darüberhinaus gilt unser Dank für ihre wertvollen Beiträge den folgenden Personen: Blaise Fleury, Dr. Christine Merz und Dr. Cornelius Oesterlee. Realisation: Source, Zürich Papier: Multi Art Silk 150g/m 2 Druck: Multicolor Print AG, Baar Copyright by Holcim Central Europe Herausgeberin: Holcim (Schweiz) AG 6. Auflage 2014

3 Inhaltsverzeichnis Vorwort 6 1. Die Ausgangsstoffe zur Betonherstellung Zemente Einleitung Herstellung Normative Anforderungen an die Zement produktion Normative Anforderungen an Zement Eigenschaften von Zement Zement und Umwelt Anwendungsgebiete von Zementen Zugabewasser Einleitung Normative Anforderungen Eigenschaften von Zugabewasser Gesteinskörnungen für Beton Einleitung Herstellung und Qualitätssicherung Normative Anforderungen Eigenschaften von Gesteinskörnungen für Beton Zusatzmittel Einleitung Normative Anforderungen Eigenschaften der wichtigsten Zusatzmittel Zusatzstoffe Einleitung Normative Anforderungen Eigenschaften von inerten Zusatzstoffen Eigenschaften von chemisch reaktiven Zusatzstoffen Eigenschaften von Fasern Beton Grundlagen, Herstellung und Anforderungen Betontechnologische Grundlagen Einleitung Hydratation von Zement Gefüge des Zementsteins Mischungsentwurf Betonherstellung Einleitung Qualitätssicherung Normative Anforderungen Einleitung Beton nach Eigenschaften Beton nach Zusammensetzung Vom Frischbeton zum Festbeton Einleitung Mischen Verarbeitbarkeit und andere Frischbetoneigenschaften Konsistenz Frischbetonrohdichte Luftgehalt Transport, Betonübergabe, Förderung und Einbau Transport Betonübergabe Fördern Einbau Verdichten Ziel Verdichtungsarten Verdichtungsaufwand Nachbehandlung Ziel und Massnahmen Arten der Nachbehandlung Anforderungen an die Nachbehandlung Betonieren bei extremer Witterung Frischbetontemperatur Betonieren bei warmer Witterung Betonieren bei kalter Witterung Mechanische Eigenschaften des Festbetons Druckfestigkeit Zugfestigkeit Elastizitätsmodul Lastunabhängiges Verformungsverhalten von Beton Einleitung Schwinden und Quellen Temperaturverformungen Korrosionsschutz der Bewehrung Dicke und Qualität des Überdeckungsbetons Verlust des Korrosionsschutzes durch Karbonatisierung Verlust des Korrosionsschutzes durch Chloride Qualitätssicherung auf der Baustelle Einleitung Überwachung des Betonierens Betone mit besonderer Verarbeitung Pumpbeton Einleitung Normative Anforderungen Betontechnologie Hinweise für das Planen von Pumpbeton Spritzbeton Einleitung Normative Anforderungen Betontechnologie Hinweise für das Planen von Spritzbeton Selbstverdichtender Beton Einleitung Normative Anforderungen Betontechnologie Hinweise für das Planen von selbstverdichtendem Beton Monobeton Einleitung Normative Anforderungen Betontechnologie Hinweise für das Planen von Monobeton Betone mit besonderen Ausgangsstoffen Recyclingbeton Einleitung Normative Anforderungen Betontechnologie Hinweise für das Planen von Recyclingbeton Leichtbeton Einleitung Normative Anforderungen Betontechnologie Hinweise für das Planen von Leichtbeton Faserbeton Einleitung Normative Anforderungen Betontechnologie Hinweise für das Planen von Faserbeton Betone mit besonderer Dauerhaftigkeit Wasserdichter Beton Einleitung Normative Anforderungen Betontechnologie Hinweise für das Planen von wasserdichten Bauwerken Frost- und Tausalz beständiger Beton Einleitung Normative Anforderungen Betontechnologie Hinweise für das Planen von Frost-Tausalz - beständigem Beton Chemisch beständiger Beton Einleitung Normative Anforderungen Betontechnologie Hinweise für das Planen von chemisch beständigem Beton AAR-beständiger Beton Einleitung Normative Anforderungen Betontechnologie Hinweise für das Planen von AAR-beständigem Beton Betone für besondere Anwendungen Sichtbeton Einleitung Normative Anforderungen Betontechnologie Allgemeine Hinweise für das Planen von Sichtbeton Spezielle Hinweise für das Planen von Sichtbeton Hochfester Beton Einleitung Normative Anforderungen Betontechnologie Hinweise für das Planen von hochfestem Beton Ultrahochleistungs-Faserbeton Einleitung Normative Anforderungen Betontechnologie Hinweise für das Planen von Ultrahochleistungs- Faserbeton Beton für Bohrpfähle und Schlitzwände Einleitung Normative Anforderungen Betontechnologie Hinweise für das Planen von Bohrpfahl- und Schlitzwandbeton Beton für Verkehrsflächen Einleitung Normative Anforderungen Betontechnologie Hinweise für das Planen von Betondecken Betonschäden 239 Vorbemerkungen Verfärbungen Einleitung Erscheinungsformen Ursache und vorbeugende Massnahmen Entmischungen und Zementleim- und Feinstmörtelverlust Einleitung Erscheinungsformen Ursache und vorbeugende Massnahmen Ausblühungen Einleitung Erscheinungsformen Entstehung und Vermeidung Risse Einleitung Erscheinungsformen Ursache und vorbeugende Massnahmen Schäden durch Frost- und Frost-Tausalzangriff Einleitung Erscheinungsformen Entstehung und Vermeidung Schäden durch chemisch lösenden Angriff Einleitung Erscheinungsformen Entstehung und Vermeidung Schäden durch Sulfatangriff Einleitung Erscheinungsformen Entstehung und Vermeidung Schäden durch Alkali-Aggregat-Reaktion Einleitung Erscheinungsformen Entstehung und Vermeidung Schäden durch Korrosion der Bewehrung Einleitung Erscheinungsformen Entstehung und Vermeidung 276 Glossar 278 Normenverzeichnis 283 Literaturhinweise 286 Bildnachweise 287

4 Vorwort Die Betonpraxis bietet einfach und praktisch Wissen rund um den Baustoff Beton an. Bereits 1997 erschien die erste Betonpraxis. Seit dieser Zeit hat sie einen führenden Platz als Standardwerk für die Betontechnologie in der Praxis sowie in der Aus- und Weiterbildung eingenommen. Mit der vorliegenden 6. Neuauflage wurde die Betonpraxis vollständig überarbeitet. Neue Zemente, wie z. B. Portlandkompositzemente, und deren Verhalten im Frisch- und Festbeton werden ebenso behandelt wie neue Betonarten, wie z. B. Ultrahochlei stungsfaserbeton. Aktuelle Entwicklungen im Normenwesen beim Betonbau in der Schweiz werden mit Hintergrundinformationen erläutert. Berechnungsbeispiele und praktische Hinweise in allen Kapiteln verdeutlichen die Grundlagen und ermöglichen auch ein Selbststudium. Die Angabe der wichtigsten Quellen sowie Normen und Richtlinien bieten Verweise auf weiterführende Literatur. Wir sind überzeugt, mit dieser 6. Neuauflage der Betonpraxis einen wertvollen Beitrag zu leisten, den Baustoff Beton noch besser zu verstehen und die Voraussetzung für qualitativ hochwertige und dauerhafte Betonbauwerke zu legen. Gerne nehmen wir Anregungen und Verbesserungsvorschläge entgegen. Ihre Holcim Betonpraxis 7

5 Kapitel 1 Die Ausgangsstoffe zur Betonherstellung 1.1 Zemente Einleitung Herstellung Normative Anforderungen an die Zementproduktion Normative Anforderungen an Zement Eigenschaften von Zement Zement und Umwelt Anwendungsgebiete von Zementen Zugabewasser Einleitung Normative Anforderungen Eigenschaften von Zugabewasser Gesteinskörnungen für Beton Einleitung Herstellung und Qualitätssicherung Normative Anforderungen Eigenschaften von Gesteinskörnungen für Beton Zusatzmittel Einleitung Normative Anforderungen Eigenschaften der wichtigsten Zusatzmittel Zusatzstoffe Einleitung Normative Anforderungen Eigenschaften von inerten Zusatzstoffen Eigenschaften von chemisch reaktiven Zusatzstoffen Eigenschaften von Fasern 44

6 1. Die Ausgangsstoffe zur Betonherstellung 1. Die Ausgangsstoffe zur Betonherstellung 1.1 Zemente 1.1 Zemente Schieferaufbereitung I Thermische Aufbereitungsanlage Im süddeutschen Schwesterwerk Dotternhausen wird Schiefer abgebaut, gebrannt und gemahlen. Die Abwärme wird zur Stromerzeugung genutzt. II Schiefertransport Der gebrannte Schiefer dient als Klinkerersatz. Nach Zwischenlagerung im Silo wird er mehrheitlich per Bahn in die Schweiz gebracht. I Einleitung Zement ist ein hydraulisches Bindemittel. Darunter wird ein Stoff verstanden, der nach der Zugabe von Wasser sowohl an der Luft als auch unter Wasser dauerhaft erhärtet. Der sich dabei bildende Zementstein ist wasser unlöslich und weist eine hohe Festigkeit auf. Seit der Einführung der europäischen Zementnorm in der Schweiz hat sich das Zementportfolio der schweizerischen Zementindustrie von reinen Portlandzementen CEM I zu Portlandkompositzementen CEM II verschoben, d. h. zu Zementen, die ausser Klinker noch weitere mineralische Bestandteile aufweisen. Der verstärkte Einsatz dieser weiteren Bestandteile wie Kalkstein, gebranntem Schiefer, Flugasche, Silikastaub oder Hüttensand bei der Zementherstellung bringt verschiedene Vorteile. Die Reduktion des Klinkeranteils führt einerseits zu geringeren Kohlendioxid (CO 2 )-Emissionen und anderseits hilft sie, die Rohmaterialreserven zu schonen. Den Anwendern ermöglicht die Entwicklung von CEM II- und CEM III- Zementen, bestimmte Betoneigenschaften, wie z. B. Verarbeitbarkeit, Wärmeentwicklung, Dauerhaftigkeit usw., zu verbessern. Geschichtliches Bereits im Altertum benutzten die Römer einen hydraulisch erhärtenden Mörtel, indem sie tonigen Kalk brannten und ihn häufig mit Puzzolanerde bzw. Ziegelmehl versetzten. Zusammen mit geeigneten Gesteinskörnungen entstand daraus Opus Caementitium, der römische Beton, der als Vorläufer unseres Betons gilt und dem Zement seinen Namen gab. Der Engländer J. Aspdin führte um 1824 eine Feinaufbereitung der Rohstoffe Kalkstein und Ton ein und erzeugte durch Brennen ein dem Zement vergleichbares Produkt. Wegen der Ähnlichkeit des daraus hergestellten Betons zum Portlandstein (dauerhafter Kalkstein der Halbinsel Portland), den man in England häufig für Bauzwecke verwendete, wurde dieses Produkt als Portlandzement bezeichnet Herstellung Für die Herstellung von Portlandzement wird die Gesteins mischung aus Kalkstein und Mergel/Ton zu einem homogenen Rohmehl mit definierter Korngrösse und chemischer Zusammensetzung aufbereitet, danach bei 1450 C bis zum Sintern gebrannt und das gebrannte Produkt anschliessend wieder zu feinem, mischbarem und reaktionsfähigem Zementpulver zerkleinert. Grundsätzlich können damit bei der Herstellung von Zement drei Produktionsstufen unterschieden werden (Abb ). Produktionsstufe 1: Rohmaterialgewinnung Für eine Tonne Portlandzementklinker werden rund eineinhalb Tonnen Rohgestein in Form von Kalkstein und Mergel oder Ton benötigt, da während des Brennens Kohlendioxid und Wasser aus dem Rohgestein ausgetrieben werden. Der Mergel oder Ton liefert die nötigen Silizium- (Si), Aluminium- (Al) und Eisen- (Fe) Komponenten, der Kalkstein das nötige Kalzium (Ca). Bereits im Steinbruch (Abb ) wird das Rohgestein im Brecher auf Faustgrösse zerkleinert. Das Rohgestein muss nach Möglichkeit so abgebaut werden, dass die vier wichtigsten Komponenten Kalzium, Silizium, Aluminium und Eisen im richtigen Mengenverhältnis von etwa 9 : 3 : 1 : 0.5 anfallen. Sind einzelne Komponenten im Steinbruch in ungenügender Menge vorhanden, so müssen entsprechende Korrekturstoffe zugeführt werden. Abb : Schwere Abbaumaschine im Steinbruch. Rohmaterialgewinnung 1 Steinbruch Kalkstein und Mergel werden durch Sprengen gewonnen. 2 Brecher Mit Druck oder Schlag wird das Material in Brechern zerkleinert. 3 Transport Das gebrochene Rohmaterial wird ins Zementwerk transportiert. Meistens geschieht der Transport mit Förderbändern. 1 Abb : Graphische Darstellung der Herstellung von Zement. Produktionsstufe 2: Homogenisierung und Brennen Die verschiedenen Rohmaterialkomponenten (Kalkstein + Mergel/Ton + allfällige Korrekturstoffe) werden aufbereitet oder als homogene Mischung in sogenannten Mischbetten oder auch nach Komponenten getrennt gelagert, um dann unmittelbar vor der Rohmehlmühle zusammengemischt zu werden. In der Rohmehlmühle (Abb ) wird das definierte Rohmaterialgemisch zu einem feinen Rohmehl gemahlen und gleichzeitig getrocknet. Zum Trocknen werden die heissen Ofenabgase genutzt. Das feine, getrocknete Rohmehl wird bis zur weiteren Verarbeitung in grossen Homogenisiersilos durchgemischt und gelagert Homogenisierung und Brennen 4 Mischbett Im Mischbett werden Kalkstein und Mergel einheitlich gemischt und vorhomogenisiert. 5 Rohmehlmühle Das vorhomogenisierte Material wird in einer Mühle gemahlen und getrocknet. 6 Entstaubung Schlauch- oder elektrostatische Filter halten die Staubteilchen in den Mühlen- bzw. Ofenabgasen zurück. 7 Vorwärmer Das Rohmehl wird aufgeheizt, bevor es in den Drehrohrofen kommt. 8 Drehrohrofen Bei Temperaturen bis 1450 C wandelt sich das Rohmehl in Klinkermineralien um. 9 Klinkerkühler Mit Luft werden die Klinkermineralien schnell abgekühlt. 10 Zementmahlung und Versand Klinkersilo Im Silo wird der gekühlte Klinker zwischengelagert. 11 Zementmühle mit Windsichter In der Mühle wird der Klinker mit etwas Gips zu Pulver gemahlen. 12 Schieferbeigabe Der gebrannte Schiefer wird dem gemahlenen Klinker beigemischt. So entsteht der umweltschonende Zement. 13 Logistik Der fertige Zement wird lose in Silowaggons und -fahrzeugen transportiert oder in Säcke abgepackt. Abb : Walzenschüsselmühle zum Feinmahlen des vorhomogenisierten Rohmaterials. II Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 11

7 1. Die Ausgangsstoffe zur Betonherstellung 1.1 Zemente Abb : Drehrohrofen, das Herzstück eines Zementwerkes. Abb : Entstehung der Klinkermineralien in Abhängigkeit der Ausgangskomponenten und des Temperaturprofils im Drehrohrofen. Das Brennen des Rohmehls zu Klinker bei 1450 C ist der zentrale Schritt bei der Zementherstellung. Das gemahlene Rohmehl wird dem Drehrohrofen (Abb ) über einen sogenannten Wärmetauscherturm (Vorwärmer) aufgegeben. Dabei wird das Rohmehl zunächst im Gegenstromverfahren aufgeheizt und tritt mit ca C in den Drehrohrofen ein. Bei Temperaturen ab rund 500 C beginnen sich die silikatischen Komponenten durch Phasenumwandlungen zu zersetzen. Im Bereich zwischen 600 und 900 C findet die sogenannte Entsäuerung des Rohmehls statt. Dabei zersetzt sich das Kalziumkarbonat aus dem Kalkstein und Mergel und es wird Kohlendioxid abgespalten und ausgetrieben. Dieser Vorgang nennt sich auch Kalzinierung. Beim Erreichen von Temperaturen um 1300 C bilden die verbliebenen Kalk- und Tonmineralien neue chemische Verbindungen, die Klinkermineralien oder Klinkerphasen genannt werden. Dieser Prozess wird bei einer Maximal temperatur von rund 1450 C im Drehrohrofen mit der Bildung des Hauptklinkerminerals Tricalciumsilikat ab geschlossen (Abb ). Als Brennstoffe werden fossile (Kohle, Öl) und vermehrt alternative Brennstoffe wie z. B. Altreifen, Trockenklärschlamm, Kunststoff und Altöl eingesetzt. Kalkstein Mergel Menge Trocknen + Vorwärmen Quarz Silizium CaCO 3 Calcium Tone Aluminium + Eisen Kalzinierung CA + C 12 A 7 Belit + Zwischenprodukte CaO frei C 2 AS C 3 A C 2 F + C 4 AF Als glühender Klinker verlässt das Brenngut den Drehrohrofen durch den Kühler. Die verwendete Kühlluft wird als vom Klinker vorgewärmte Verbrennungsluft verwendet bzw. die mittels Wärmerückgewinnung gewonnene Energie in ein Fernwärmeheiznetz eingeleitet. Bei der raschen Abkühlung erstarren die teilweise aus Schmelze bestehenden schwarz-grauen Körner von ca. 1 5 cm Durchmesser zu harten, reaktiven Klinkergranalien (Abb ). Der auf ca. 100 C abgekühlte Portlandzementklinker wird anschliessend in Hallen oder Silos transportiert und lässt sich dort während langer Zeit lagern. Abb : Klinkerherstellung im Drehrohrofen. Die aufgeführten Klinkermineralien prägen durch ihr unterschiedliches Reaktionsverhalten mit Wasser die Zementeigenschaften. In Tabelle wird ein Überblick über die Klinkerphasen im Portlandzementklinker und ihre Beeinflussung der Zementeigenschaften gegeben. Produktionsstufe 3: Zementmahlung und Versand Damit die im Klinker vorliegende Reaktivität genutzt werden kann, wird er in einer Mahlanlage (Zementmühle und Windsichter) zusammen mit 3 % bis 7 % Gips feingemahlen (Abb ). Der Gips dient als Erstarrungsregler. C 2 S (Belit) Sinterung Flüssigphase C 3 S (Alit) Klinker C 3 A (Aluminat) C 4 AF (Ferrit) [ C] Aufheizen Zersetzen Neu Kombinieren Kühlen Klinkermineral Bezeichnung Zementchemische Kurzbezeichnung* Ohne Erstarrungsregler würde der feingemahlene Klinker, angerührt mit Wasser, innerhalb von Minuten abbinden. Die Mahlanlagen arbeiten mit einstellbaren Windsichtern, mittels denen die gewünschte Zementfeinheit gezielt gesteuert werden kann. Die Mahlfeinheit des Klinkers steuert die Festigkeitsentwicklung des Zements massgeblich. Je nach Zementart wird der Klinker beim Mahlen oder mit getrennter Vermahlung und nachträglicher Zumischung durch mineralische Hauptbestandteile (Kalkstein, gebrannter Schiefer, Silikastaub, Hüttensand, Flugasche, siehe Kapitel 1.5) ergänzt. Dadurch entstehen sogenannte Portlandkomposit- und Hochofenzemente. Die getrennte Vermahlung erlaubt die gezielte Steuerung der Korngrössenverteilung unabhängig der Materialhärte der einzelnen Hauptbestandteile. Zement ist ein energieintensives Produkt. Dabei sind für seine Herstellung sowohl thermische Energie für das Klinkerbrennen (ca kj/kg Klinker) und elektrische Energie im Wesentlichen für die Rohstein- sowie Zementmahlung ( kwh/t Zement) erforderlich. Der fertige Zement wird hauptsächlich lose per Bahn oder per LKW zum Kunden transportiert. Nur ein kleiner Anteil wird in 25 kg Säcken abgefüllt und palettiert. Abb : Blick ins Innere einer Kugelmühle zum Feinmahlen des Klinkers mit Gipsstein und Zementzusatzstoffen. typ. Gehalt [M.-%] Tricalciumsilicat Alit C 3 S Dicalciumsilicat Belit C 2 S Tricalciumaluminat Aluminat C 3 A 5 10 Calciumaluminatferrit Ferrit C 4 AF 5 10 * C = CaO, S = SiO 2, A = Al 2 O 3, F = Fe 2 O 3 Beeinflussung der Zementeigenschaften rasche Hydratation, hohe Hydratationswärme, hohe Anfangsfestigkeit, generell festigkeitsfördernd langsame Hydratation, geringe Hydratationswärme, hohe Spätfestigkeit, geringe Anfangsfestigkeit rasche Hydratation, rasches Abbindeverhalten, hohe Hydratationswärme, Beitrag zu Anfangsfestigkeit, erhöht Schwinden, reagiert mit Sulfaten dunkle Farbe, langsame Hydratation, geringer Beitrag zur Festigkeit Normative Anforderungen an die Zementproduktion Konformitätsbewertung von Zementen nach der Norm SN EN Ein dreigliedriges Qualitätsmanagementsystem garantiert Qualität und Normkonformität der schweizerischen Zemente: funktionsfähiges und zertifiziertes Qualitätsmanagementsystem Eigenüberwachung (interne Überwachungsprüfung) Fremdüberwachung Qualitätsmanagementsystem Alle schweizerischen Zementwerke verfügen über ein Qualitätsmanagementsystem und sind nach der Norm ISO 9001 zertifiziert. So wird sichergestellt, dass alle Arbeitsabläufe dokumentiert, rückverfolgbar und nachvollziehbar sind. Die Werke der Holcim verfügen zusätzlich über zertifizierte Umweltmanagementsysteme (ISO 14001) und Arbeitssicherheits- und Gesundheitsschutz-Managementsysteme. Eigenüberwachung Bei allen Produktionsschritten der Zementherstellung, vom Steinbruch bis zum Zementversand, werden Materialproben entnommen und analysiert. Eine lückenlose Produktionsüberwachung sichert eine gleichmässig hohe Zementqualität (Abb ). Durch statistische Auswertung der Prüfresultate von den Zementversandproben muss der Nachweis der Konformität nach der Norm SN EN laufend erbracht werden. Die Norm SN EN 196 beschreibt die Prüfverfahren für Zement und die Norm SN EN die Konformitätsbewertung (Konformitätsbewertungs system 1+). Tab : Klinkermineralien im Portlandzementklinker. 12 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 13

8 1. Die Ausgangsstoffe zur Betonherstellung 1.1 Zemente Abb : Automatisches Labor zur Eigenüberwachung von Zement. Zementarten und Zusammensetzung Die Norm SN EN unterscheidet 27 Zemente der Familie der Normalzemente, die in die 5 Hauptzementarten CEM I bis CEM V gemäss Tabelle unterteilt werden. Mechanische und physikalische Anforderungen Die Zemente werden in den Normfestigkeitsklassen 32,5; 42,5 und 52,5 hergestellt. Die Festigkeitsklasse 22,5 gilt nur für Sonderzemente nach der Norm SN EN Jede Normfestigkeitsklasse wird zusätzlich in drei Anfangsfestigkeitsklassen unterteilt, wobei die Klasse L nur für CEM III-Zemente gilt: Hauptzementarten Benennung CEM I Portlandzement CEM I Kurzbezeichnung Holcim Zementsorte Normo Protego Albaro Portlandzementklinker Hüttensand Silikastaub Puzzolane natürlich Hauptbestandteile 1) Puzzolane natürlich getempert Flugasche kieselsäurereich Flugasche kalkreich Gebrannter Schiefer K S D 2) P Q V W T L LL Kalkstein 1) 4) Nebenbestandteile Fremdüberwachung Die Eigenüberwachung wird durch eine Fremdüberwachung einer externen Prüfstelle gemäss der Norm SN EN ergänzt. Dabei kommen ausschliesslich Labore zum Einsatz, die für die Zementprüfung akkreditiert sind. Zertifizierter Zement Zemente, die die Konformitätsanforderung nach der Norm SN EN erfüllen, erhalten von einer staatlich bezeichneten Zertifizierungsstelle, aufgrund der jährlichen Kontrolle des QS-Systems und der Ergebnisse der Eigen- und Fremdüberwachung durch eine akkreditierte Inspektionsstelle, ein Konformitätszertifikat und dürfen mit dem CE-Konformitätszeichen gekennzeichnet werden. Leistungserklärungen der Zementhersteller bestätigen die Erfüllung der Anforderungen nach der Norm SN EN Normative Anforderungen an Zement L niedrige Anfangsfestigkeit (Kennbuchstabe L = Low), (nur für Hochofenzemente CEM III) N normale, übliche Anfangsfestigkeit (Kennbuchstabe N = Normal) R hohe Anfangsfestigkeit (Kennbuchstabe R = Rapid) In Tabelle sind die Anforderungen an die Anfangsund Normfestigkeit und an den Erstarrungsbeginn für die unterschiedlichen Zementfestigkeitsklassen in der Schweiz aufgeführt. Die Normfestigkeit für die Festigkeitsklassen 32,5 und 42,5 ist auch nach oben begrenzt. Druckfestigkeit [N/mm 2 ] Anfangsfestigkeit Normfestigkeit 2 Tage 7 Tage 28 Tage 32,5 L ,5 N ,5 R ,5 L ,5 N 10.0 Festigkeitsklasse Erstarrungsbeginn [min] CEM II Portlandhüttenzement Portlandsilikastaubzement Portlandpuzzolanzement Portlandflugaschezement Portlandschieferzement Portlandkalksteinzement Portlandkompositzement 3) CEM II/A-S CEM II/B-S CEM II/A-D Fortico CEM II/A-P CEM II/B-P CEM II/A-Q CEM II/B-Q CEM II/A-V CEM II/B-V CEM II/A-W CEM II/B-W CEM II/A-T CEM II/B-T CEM II/A-L CEM II/B-L CEM II/A-LL Fluvio CEM II/B-LL CEM II/A-M CEM II/B-M Optimo Robusto Bisolvo Eigenschaften und Anforderungen von sogenannten Normalzementen sind in der Norm SN EN festgelegt. Die Anteile der Bestandteile jeder Zementart sind definiert. Die Norm enthält auch Anforderungen an diese Bestandteile sowie Anforderungen an mechanische, physikalische und chemische Eigenschaften der Zementarten. Darüber hinaus enthält die Norm Konformitätskriterien und Anforderungen an die Dauerhaftigkeit. Mit dem Merkblatt SIA 2049 kann das Einsatzgebiet anorganischer Bestandteile als Hauptbestandteile im Zement erweitert werden. Das Merkblatt regelt das Vorgehen für den Nachweis der Brauchbarkeit von neuen Zementen gemäss den Anforderungen des Bauproduktegesetzes. 42,5 R ,5 L ,5 N ,5 R Tab : Anforderungen an Zementfestigkeiten und Erstarrungsbeginn gemäss der Norm SN EN Der Einfluss der Zementfestigkeit auf die Betondruckfestigkeit lässt sich nur abschätzen, da diese wesentlich auch vom Wasserzementwert (w/z-wert), der Verdichtung und der Nachbehandlung des Betons abhängt. CEM III CEM IV CEM V Hochofenzement CEM III/A CEM III/B Modero Tab : Zusammensetzung der Zemente gemäss der Norm SN EN CEM III/C Puzzolan- CEM IV/A zement 3) CEM IV/B Komposit- CEM V/A zement 3) CEM V/B ) Die Werte (in M.-%) der Tabelle beziehen sich auf die Summe der Hauptund Nebenbestandteile, d. h. ohne Calciumsulfat oder Zementzusatzmittel. 2) Der Anteil an Silikastaub ist auf 10 M.-% begrenzt. 3) In den Portlandkompositzementen CEM II/A-M und CEM II/B-M, in den Puzzolanzementen CEM IV/A und CEM IV/B und in den Kompositzementen CEM V/A und CEM V/B müssen die Hauptbestandteile neben dem Portlandzementklinker des Zements angegeben werden. 4) Stoffe, die als Nebenbestandteile dem Zement zugegeben werden, dürfen nicht gleichzeitig im Zement als Hauptbestandteil vorhanden sein. 14 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 15

9 1. Die Ausgangsstoffe zur Betonherstellung 1.1 Zemente Tab : Chemische Anforderungen an Zement gemäss der Norm SN EN Chemische Anforderungen Die chemischen Anforderungen sind in Tabelle aufgeführt. Falls Beton mit einem Hochofenzement, der nicht in der Schweiz produziert wurde, hergestellt wird, muss dessen Chloridgehalt daraufhin kontrolliert werden, ob die Anforderungen der Norm SN EN bezüglich des Chloridgehalts des Betons eingehalten werden können. Eigenschaft Zementart Festigkeitsklasse Glühverlust Unlöslicher Rückstand Sulfatgehalt (als SO 3 ) CEM I CEM III CEM I CEM III CEM I CEM II CEM IV CEM V CEM III Anforderungen [M.-%] alle 5.0 alle ,5 N 32,5 R 42,5 N ,5 R 52,5 N 52,5 R 4.0 alle Chloridgehalt alle alle 0.10 Puzzolanität CEM IV alle muss die Prüfung bestehen Eigenschaft Zementart Festigkeitsklasse Sulfatgehalt (als SO 3 ) C 3 A im Klinker Puzzolanität CEM I-SR 0 CEM I-SR 3 CEM I-SR 5 CEM IV/A-SR CEM IV/B-SR CEM I-SR 0 CEM I-SR 3 CEM I-SR 5 CEM IV/A-SR CEM IV/B-SR CEM IV/A-SR CEM IV/B-SR 32,5 N 32,5 R 42,5 N 42,5 R 52,5 N 52,5 R alle alle Anforderungen [M.-%] Tab : Chemische Anforderungen an Zemente mit hohem Sulfatwiderstand gemäss der Norm SN EN * = muss die Prüfung nach 8 Tagen bestehen * Für CEM III-Zemente sind keine chemischen Anforderungen vorgegeben. Zemente mit niedriger Hydratationswärme Zemente mit niedriger Hydratationswärme werden mit dem Kurzzeichen LH (low heat) gekennzeichnet. Die Hydratationswärme darf den charakteristischen Wert von 270 J/g nicht überschreiten. Sie ist entweder nach 7 Tagen nach der Norm SN EN oder nach 41 h nach der Norm SN EN zu bestimmen (siehe Abb ). Hydratationswärme [J/g] = Grenzwert für LH Zeit [h] CEM 52,5 CEM 42,5 CEM 32,5 Abb : Hydratationswärmen von Zementen unterschiedlicher Festigkeitsklassen, geprüft nach der Norm SN EN (teiladiabatisches Langavant-Verfahren). CEM I 52,5 R Normbezeichnungen Für eine eindeutige Zuordnung eines Zementes nach der Norm SN EN sind die folgenden Angaben vorgeschrieben: Hauptzementart, z. B. CEM I oder CEM II Weitere Hauptbestandteile neben Portlandzementklinker und der Hinweis auf die Menge (A oder B), z. B. A-LL oder B-M (T-LL) Festigkeitsklasse mit Hinweis auf die Anfangsfestigkeit In Tabelle werden Beispiele für unterschiedliche Zemente gegeben. Zement mit hohem Sulfatwiderstand Zemente mit hohem Sulfatwiderstand werden gemäss der Norm SN EN (siehe Kapitel 6.2) mit dem Zusatz SR (sulfate resisting) hinter der Festigkeitsklasse bezeichnet. Sie werden in 3 Hauptzementarten unterteilt: Portlandzement mit hohem Sulfatwiderstand CEM I-SR 0 CEM I-SR 3 CEM I-SR 5 In der Schweiz sind gemäss der Norm SN EN von den aufgeführten Zementen für die Verwendung im Beton die Folgenden freigegeben: CEM I-SR3 und -SR0 sowie CEM III/B-SR. Für weitere Zementarten kann in der Schweiz die Leistungsfähigkeit bezüglich Sulfatwiderstand gemäss der Norm SN EN 197-1, Nationaler Anhang NB nachgewiesen werden. Die national zugelassenen Zemente mit einem hohen Sulfatwiderstand, wie z. B. Holcim Robusto 4R-S, werden mit der Bezeichnung HS-CH (hoher Sulfatwiderstand Schweiz) gekennzeichnet. Zement gemäss SN EN Zementart Typ I (Portlandzement) Festigkeitsklasse 52,5 hohe Anfangsfestigkeit CEM II / A - LL 42,5 N Zement gemäss SN EN Zementart Typ II (Portlandkompositzement) enthält 6 20 M.-% Zusatzstoffe Zusatzstoff ist hochwertiger Kalkstein Festigkeitsklasse 42,5 normale Anfangsfestigkeit CEM II / B - M (T-LL) 42,5 N Zement gemäss SN EN Zementart Typ II (Portlandkompositzement) enthält M.-% Zusatzstoffe enthält mehr als einen Zusatzstoff Zusatzstoffe sind gebrannter Schiefer und hochwertiger Kalkstein Festigkeitsklasse 42,5 normale Anfangsfestigkeit Hochofenzement mit hohem Sulfatwiderstand CEM III/B-SR CEM III/C-SR Puzzolanzement mit hohem Sulfatwiderstand CEM IV/A-SR CEM IV/B-SR CEM II / B - M (V-LL) 32,5 R Zement gemäss SN EN Zementart Typ II (Portlandkompositzement) enthält M.-% Zusatzstoffe enthält mehr als einen Zusatzstoff Zusatzstoffe sind kieselsäurereiche Flugasche und hochwertiger Kalkstein Festigkeitsklasse 32,5 hohe Anfangsfestigkeit CEM II / B - M (S-T) 42,5 R - HS-CH Zementgemäss SN EN Zementart Typ II (Portlandkompositzement) enthält M.-% Zusatzstoffe enthält mehr als einen Zusatzstoff Zusatzstoffe sind Hüttensand und gebrannter Schiefer Festigkeitsklasse 42,5 hohe Anfangsfestigkeit hoher Sulfatwiderstand Schweiz CEM III / B 32,5 N - LH / SR Zement gemäss SN EN Zementart Typ III (Hochofenzement) enthält M.-% Hüttensand als Zusatzstoff Festigkeitsklasse 32,5 normale Anfangsfestigkeit niedrige Hydratationswärme hoher Sulfatwiderstand Tab : Beispiele für Zementbezeichnungen nach der Norm SN EN Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 17

10 1. Die Ausgangsstoffe zur Betonherstellung 1.1 Zemente Tab : Richtwerte für Dichte und Schüttdichte von Normalzementen. Abb : Sacklagerung im Freien Eigenschaften von Zement Dichte Die Dichte, auch Reindichte genannt, ist die Masse eines Stoffes bezogen auf sein hohlraumfreies Volumen. Wenn ein körniger Stoff als Haufwerk geschüttet wird, spricht man hingegen von der Schüttdichte. Sie wird aus dem Verhältnis von der Masse der Schüttung zum eingenommenen Schüttvolumen ermittelt. Die Schüttdichte kann in lose eingefülltem oder in verdichtetem Zustand geprüft werden. Richtwerte für die Dichte und Schüttdichte von Normalzementen sind in Tabelle aufgeführt. Farbe Die Farbe eines Zements ist nicht normiert und ist zumindest bei Grauzement kein Qualitätsmerkmal. Bei Weisszementen ist der Weissheitsgrad eine charakteristische Eigenschaft. Die Farbe hängt z. B. von den verwendeten Rohstoffen, der Zementart, der Mahlfeinheit und dem Herstellverfahren ab. Schwankungen im Grauton der Zemente sind unvermeidlich. Sie sind jedoch bei Zementen desselben Lieferwerks und der gleichen Festigkeitsklasse klein. Weit grössere Auswirkung auf die Farbe des Betons haben andere Einflüsse wie z. B. die Betonzusammensetzung und -verarbeitung, die Konsistenz sowie das Schalungsmaterial und die Verdichtungsart (siehe Kapitel 8.1). Zementtemperatur Die Zementherstellung, insbesondere die Zementmahlung, ist ein energieaufwändiger Prozess. Dabei erwärmt sich der feingemahlene Zement auf bis zu 120 C und wird anschliessend auf ca. 60 C bis 80 C abgekühlt. Zementart Plane gegen Wegfliegen sichern Kanthölzer Abdeckplane oder -folie Die Zementtemperatur hat nur geringfügigen Einfluss auf die Frischbetontemperatur und damit auf die Hydratations- und Festigkeitsentwicklung des Betons (siehe Kapitel 3.7.1). Eine Erhöhung der Zementtemperatur um 10 C bewirkt eine Erhöhung der Frischbeton-Tempera tur um 1 C. Für spezielle Anwendungen kann eine Begrenzung der Zement temperatur sinnvoll sein. Für Spritzbeton wird in der Norm SN EN empfohlen, dass die Temperatur des Zements, wenn er vom Zementwerk geliefert wird, +80 C und beim Einfüllen in die Silos der Mischanlage +70 C nicht überschreitet. Andernfalls sollten Massnahmen festgelegt werden, um den Zement vor seiner Anwendung abzukühlen. Vermischbarkeit im Betonwerk Zemente sollten nicht miteinander vermischt werden. Jeder Zement ist einzeln optimiert hinsichtlich Erstarren und Festigkeitsklasse. Ist für besondere Anwendungen ein Mischen von Zementen technisch und wirtschaftlich sinnvoll, muss die Eignung der Mischung durch eine Erstprüfung am Beton nachgewiesen werden. Im Übrigen gilt, dass jeder zugemischte Zement für die festgelegte Expositionsklasse des Betons zugelassen sein muss. Dichte [kg/dm 3 ] Portlandzement 3.1 Hochofen-, Portlandhütten-, Portlandschiefer-, Portlandkalksteinzement 3.0 Portlandpuzzolanzement, Portlandflugaschezement 2.9 Portlandzement -SR 3.2 Schüttdichte [kg/dm 3 ] lose eingefüllt 0.9 bis 1.2 eingerüttelt 1.6 bis 1.9 Zementlagerung und Haltbarkeit Zement nimmt bei längerer und/oder ungeschützter Lagerung Feuchtigkeit auf, was zur Klumpenbildung und einer Minderung des Erhärtungsvermögens führt. Lassen sich die Klumpen noch zwischen den Fingern zerdrücken, ist die Festigkeitsminderung vernachlässigbar klein. In Säcken lässt sich Zement nur eine beschränkte Zeit lagern. Sackzement lagert man am besten im Trockenen. Vorübergehend im Freien gestapelter Sackzement muss auf einer belüfteteten Kantholzunterlage und mit Abdeckfolie regendicht gelagert werden (Abb ). Chromatreduktion In der Schweiz werden alle Zemente gemäss der Chemikalien-Risiko-Reduktionsverordnung (ChemRRV) chromatarm hergestellt, um der im Volksmund Maurerkrätze genannten, allergischen Chromatdermatitis vorzubeugen. Seit 2007 gilt in der Schweiz ein Maximalgehalt von löslichem Chromat (CrVI) von 2 ppm in Zementen (2 mg pro Kilo Zement). Die Einhaltung des Grenzwertes von 2 ppm wird im Zementwerk durch die Beigabe eines Reduktionsmittels gewährleistet. Dabei wird das durch das Brennen der Rohmaterialien (Mergel, Ton, Kalkstein) entstandene Chromat nicht aus dem Zement entfernt, sondern in eine unlösliche, nicht sensibilisierende Form gebracht. Die Wirksamkeit der Chromatreduktionsmittel ist zeitlich beschränkt. In der Schweiz gelten für Lose-Zement 2 Monate und für Sack-Zement 6 Monate Wirksamkeitsdauer. Diese vorbeugende Massnahme entbindet Zement verwender aber nicht davon, sich mit geeigneten Schutzhand schuhen und ergänzender Hautschutzpflege zu schützen. Sicherheitshinweis Zement ist ein hydraulisches Bindemittel. Bei Feuchtigkeits- oder Wasserzutritt kommt es zu einer alkalischen Reaktion. Die Berührung mit der Haut soll nach Möglichkeit vermieden werden. Gelangt Zement ins Auge, muss es sofort gründlich mit Wasser ausgespült werden, und nötigenfalls ist der Arzt zu konsultieren. Sicherheitsdatenblätter sind unter verfügbar Zement und Umwelt CO 2 -Emissionen bei der Zementherstellung Die Produktion von Zement ist sehr energieintensiv und setzt grosse Mengen Kohlendioxid (CO 2 ) frei. Die Reduktion von klimarelevanten Emissionen ist eine der grössten Herausforderungen der Zementhersteller. Der kleinere Anteil der CO 2 -Emissionen, ca. ein Drittel, entsteht durch den Einsatz von fossilen Brennstoffen oder indirekt durch den Stromverbrauch. Der überwiegende Anteil, zwei Drittel, hingegen ist rohstoffbedingt. Beim Brennvorgang von Kalkstein, Mergel/Ton wird CO 2 freigesetzt. Um die Energieeffizienz bei allen Arbeitsschritten zu erhöhen und den CO 2 -Ausstoss zu senken, kommen drei nachhaltige Massnahmen zum Einsatz: Reduktion des Klinkeranteils im Zement Einsatz von alternativen Brennstoffen optimierte Anlagen, z. B. Abwärmenutzung Die Verminderung des Klinkeranteils im Zement ist dabei die wirksamste Massnahme, um den CO 2 -Ausstoss zu vermindern. Pro Tonne Zement muss weniger Rohmaterial gebrannt werden, so dass die Freisetzung von CO 2 aufgrund des geringeren Bedarfs sowohl an Brennstoff als auch an Rohmaterial reduziert wird. Als Klinkerersatzstoffe kommen die in der Norm SN EN zugelassenen Hauptbestandteile wie Kalkstein, gebrannter Schiefer, Hüttensand, Flugasche etc. in Frage. Mit diesen CO 2 -neutralen oder CO 2 -ärmeren Zementzusatzstoffen werden hochwertige Zemente der Klasse CEM II/A, CEM II/B und CEM III hergestellt. Je höher der Anteil eines Zementzusatzstoffes des Zements ist, desto geringer sind seine herstellungsbedingten CO 2 -Emissionen. Umweltbezogene Produktinformationen für Zemente Umweltbezogene Produktinformationen zu Umweltauswirkungen bilden die Basis für die ökologische Bewertung von Bauwerken. Sie gewinnen einen zunehmend grossen Einfluss bei Projektentscheiden von Investoren und Auswahlgremien. Eine umfassende Beschreibung der Umweltauswirkung von Produkten wird in einer Umweltdeklaration (Environmental Product Declaration (EPD)) wiedergegeben. Eine EPD basiert auf einer Ökobilanz nach ISO 14040, in der alle Stoffströme von der Rohstoffgewinnung bis zur Entsorgung syste matisch erfasst werden. Die Umweltauswirkungen werden nach international anerkannten Konventionen charakterisiert, das Ergebnis sind Kennzahlen wie z. B. der Treibhauseffekt. In einer EPD sind folgende Elemente enthalten: die Sachbilanz (LCI= Life Cycle Inventory Analysis) die Wirkungsabschätzung (LCIA= Life Cycle Impact Assessment, sofern durchgeführt) sowie weitere Indikatoren (z. B. zu Art und Menge des produzierten Abfalls) Der Verband der Schweizerischen Zementindustrie, cemsuisse, gibt EPDs für die Zementarten CEM I, CEM II/A, CEM II/B und einen Durchschnittszement heraus. Diese Zementdaten basieren auf einem nationalen Durchschnittsklinker, welcher die branchenbezogene Klinkerproduktion in der Schweiz abbildet, und auf den jährlichen Marktanteilen der unterschiedlichen Zementarten beruht. 18 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 19

11 1. Die Ausgangsstoffe zur Betonherstellung 1.1 Zemente Anwendungsgebiete von Zementen Die Holcim (Schweiz) AG verfügt über ein umfangreiches Zementsortiment. In Tabelle sind die wichtigsten Eigenschaften und empfohlenen Anwendungsgebiete der Holcim Zemente aufgeführt. Kundenzemente Massgeschneiderte Zemente für spezielle Anwendungen werden in enger Zusammenarbeit mit Kunden entwickelt, um technisch und wirtschaftlich optimale Lösungen zu erzielen. Auf diese Weise können die unterschiedlichen Anforderungen spezieller Objekte (z. B. hochfester Beton) und von besonderen Produktionsprozessen (z. B. Vorfabrikation) besser erfüllt werden. Optimo 4 Robusto 4R-S Normo 4 Normo 5R Zementart Portlandkompositzement Portlandkompositzement Portlandzement Portlandzement Normbezeichnung CEM II/B-M (T-LL) 42,5 N CEM II/B-M (S-T) 42,5 R CEM I 42,5 N CEM I 52,5 R Hauptbestandteile Portlandzementklinker Gebrannter Schiefer (T) Hochwertiger Kalk stein (LL) Portlandzementklinker Gebrannter Schiefer (T) Hüttensand (S) Portlandzementklinker Portlandzementklinker Zugelassene Expositionsklassen XC, XD, XF XC, XD, XF, XA XC, XD, XF XC, XD, XF Bisolvo 3R Albaro 5 Fortico 5R Modero 3B Portlandkompositzement Weisser Portlandzement Portlandsilikastaub zement Hochofenzement CEM II/B-M (V-LL) 32,5 R CEM I 52,5 N CEM II/A-D 52,5 R CEM III/B 32,5 N-LH/SR Portlandzementklinker Kieselsäurereiche Flug asche (V) Hochwertiger Kalk stein (LL) Portlandzementklinker Portlandzementklinker Silikastaub (D) Portlandzementklinker Hüttensand (S) XC, XD, XF XC, XD, XF XC, XD, XF, XA XC, XD, XF, XA Tab : Holcim Zemente mit ausgewählten Eigenschaften und empfohlenen Anwendungsgebieten. Anwendungsgebiete Holcim Empfehlung (++ empfohlen, + geeignet, bedingt geeignet) Einbauart/ Witterungsbedingungen Pumpbeton Selbstverdichtender Beton (SCC) + + Spritzbeton Warme Witterung oder massige Bauteile Kalte Witterung Hohe Druckfestigkeit Hohe Anfangsfestigkeit (Ausschalungsfrist) Besondere Eigenschaften Besondere Anwendungsgebiete AAR-beständiger Beton + ++ Sulfatbeständiger Beton ++ Sichtbeton RC-Beton/Eco-Beton ++ + Unterlagsböden Betonstrassen Vorfabrikation + ++ Mörtel Stabilisierung, Injektionen (++)* * Nach bestandener Prüfung (rezepturbezogen). 20 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 21

12 1. Die Ausgangsstoffe zur Betonherstellung 1. Die Ausgangsstoffe zur Betonherstellung 1.2 Zugabewasser 1.2 Zugabewasser Abb : Reyclinganlage mit Auswaschschnecke Tab : Zusammensetzung des Gesamtwassergehaltes und des wirksamen Wassergehaltes Einleitung Wasser hat zwei betontechnologische Aufgaben. Einerseits wird Wasser zum Erhärten des Zementes benötigt, da die chemische Reaktion des Zementes (Hydratation) durch Wasser eingeleitet wird. Anderseits hat Wasser die Aufgabe, den frischen Beton verarbeitbar zu machen, damit er in die gewünschte Form gebracht werden kann. Das Zugabewasser, früher auch Anmachwasser genannt, ist die Wassermenge, die dem Gemisch aus Zement, Zusatzstoff und Gesteinskörnung beim Mischvorgang des Betons zugegeben wird. Werden Zusatzmittel oder Zusatzstoffe als Lösungen oder als Suspensionen eingesetzt, ist ab einer Menge von 3 l/m 3 der enthaltene Wasseranteil zu berücksichtigen. Der Gesamtwassergehalt im Beton ergibt sich aus dem Zugabewasser, dem Wasseranteil in Zusatzmitteln und -stoffen sowie der Oberflächenfeuchte und der Kernfeuchte der Gesteinskörnung. Als wirksamer Wassergehalt wird die Summe aus Zugabewasser, Wasseranteil in Zusatzmitteln und -stoffen und Oberflächenfeuchte der Gesteinskörnung bezeichnet (Tab ). Bei der Bestimmung des Wassergehaltes im Frischbeton durch Darren wird der Gesamtwassergehalt ermittelt (siehe Kapitel 3.3.4). In der Schweiz werden als Zugabewasser vorwiegend Trinkwasser, häufig auch als Frischwasser bezeichnet, und Restwasser eingesetzt. Restwasser, im schweizerischen Sprachgebrauch auch Recyclingwasser genannt, fällt beim Auswaschen von Restbeton, dem Reinigen von Mischertrommeln, Fahrmischern und Betonpumpen oder Zugabewasser [l/m 3 ] Wasseranteil in Zusatz mitteln/zusatzstoffen [l/m 3 ] Herkunft des Wassers im Beton als Niederschlagswasser an. Es sollte nur aus den dafür vorgesehenen Becken entnommen werden (Absetzbecken oder Becken mit entsprechender Rührvorrichtung) Normative Anforderungen Anforderungen an das Zugabewasser sind in der Norm SN EN 1008 geregelt. Als Zugabewasser ohne jegliche Prüfung ist Trinkwasser geeignet. Alle anderen Arten von Wasser wie Restwasser aus der Betonherstellung, Grundwasser und natürliches Oberflächenwasser und industrielles Brauchwasser müssen jedoch geprüft werden. Sie dürfen nicht erhebliche Mengen an Stoffen enthalten, die das Erhärten des Betons verzögern oder verhindern (z. B. Zucker, Huminsäuren) unkontrolliert Luftporen einführen und dadurch die Festigkeit des Betons mindern (z. B. Algen, Öle und Fette, Schwebstoffe, verschiedene anorganische Salze) zur Korrosion der Bewehrung führen. Das Zugabewasser soll klar, farb- und geruchlos sein und beim Schütteln keinen bleibenden Schaum bilden. Alkalien weisen auf einen grossen Salzgehalt hin, der im Beton und Mörtel allgemein tief gehalten werden sollte. Es dürfen keine organischen Verunreinigungen vorhanden sein. Viele betonschädigende Stoffe sind im Zugabewasser harmloser als in Wasser, das später auf erhärteten Beton einwirkt. Sulfat- und kohlensäurehaltige Wasser gelten beispielsweise als betonaggressiv, d. h. Festbeton kann von aussen her geschädigt oder zerstört werden. Als Zugabewasser können sie sich aber durchaus eignen (siehe Kapitel 6.3). Oberflächenfeuchte [l/m 3 ] Gesamtwassergehalt Wasser der Gesteinskörnung Kernfeuchte [l/m 3 ] 8 12 für leichte oder recyclierte Gesteinskörnung Beton-Auswaschschnecke 2 Schneckensteuerung 3 Feststoffaustrag (Sand/Kies) 4 Überlauf für Feinstoff-Wasser-Gemisch 5 Aufgabetrichter 6 Betonbecken 7 Wirbeleinrichtung 8 Leitung zur Wasserwaage im Mischturm 9 Leitung zum Waschgalgen für Fahrmischer 10 Spülleitung für Schneckentrichter 11 Frischwasserzufuhr 12 Niveauschalter für Frischwasserzufur Eigenschaften von Zugabewasser Restwasser Restwasser enthält in schwankenden Konzentrationen Feinststoffe (Schwebestoffe) des ausgewaschenen Restbetons, deren Korngrösse in der Regel unter 0.25 mm liegt. Restwasser als Zugabewasser für Beton wird wie folgt eingesetzt: Die zusätzliche Masse der Feststoffe aus dem Restwasser muss weniger als 1 M.-% der Gesteinskörnung betragen. Die Menge des verwendeten Restwassers muss möglichst gleichmässig über die gesamte Tagesproduktion verteilt werden. Restwasser mit einer Dichte > 1.09 kg/l sollte nur in geringen Anteilen als Zugabewasser für Konstruktionsbeton eingesetzt werden. Restwasser sollte grundsätzlich nicht für hochfesten Beton und Luftporenbeton verwendet werden. Der Einsatz von Restwasser bei Sichtbetonanwendungen ist vorgängig zu prüfen. Bei Restwasser mit einer Dichte > 1.01 kg/l ist eine gleichmässige Verteilung der Feststoffe sicher zu stellen. Die Masse der Feststoffe im Restwasser kann mittels Gleichung bestimmt werden. Dabei wird eine Kornrohdichte von 2.1 kg/l für die Feststoffe im Restwasser zugrunde gelegt. Die Feststoffe und das Restwasser sind bei der Betonzusammensetzung (Stoffraumgleichung) zu berücksichtigen (siehe Kapitel 2.1.5) W fl = Gl ρ ww 1 ρf ρ f W fl Masse der Feststoffe im Restwasser [kg/l] ρ ww Dichte des Restwassers [kg/l] ρ f Kornrohdichte der Feststoffe [kg/l] Beispiel 1: Berechnung der Masse der Feststoffe für ein Restwasser mit einer Dichte von 1.07 kg/l. W fl = = kg/l Die Verarbeitbarkeit wird durch Schwebstoffe verschlechtert. Dabei kann der Konsistenzverlust unmittelbar nach dem Mischen für Betone mit 100 % Recyclingwasser und einer Dichte bis 1.07 kg/l bis zu einer Konsistenzklasse im Vergleich zu entsprechenden Betonen mit Trinkwasser als Zugabewasser betragen. Der weitere Konsistenzverlust über die Zeit wird dagegen wenig beeinflusst. Die Hydratation des Frischbetons wird in den ersten 24 Stunden beschleunigt und gleichzeitig die Druckfestigkeit nach 1 Tag erhöht. Die Auswirkungen auf die Druckfestigkeit nach 28 Tagen sind gering Wirksamer Wassergehalt 22 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 23

13 1. Die Ausgangsstoffe zur Betonherstellung 1.3 Gesteinskörnungen für Beton 1.3 Gesteinskörnungen für Beton Kiesgewinnung A1 Brechen Auf der Splittstrasse wird Material mit einem Durchmesser von mehr als 45 mm zerkleinert und in verschiedene Korngruppen getrennt. A2 Klassierung Förderbänder transportieren das Material zwischen den verschiedenen Brechern und Siebstationen. 1 2 A1 A Einleitung Unter Gesteinskörnung werden in der Regel natürliche Kiese und Sande verstanden, aber auch industriell hergestellte Körnungen (z. B. leichte Gesteinskörnungen wie Blähton) sowie rezyklierte Materialien, welche beim Abbruch von Bauwerken gewonnen werden. Die Gesteinskörnung nimmt ca. drei Viertel des Betonvolumens ein und bildet das Gerüst des Betons. Frisch- und Festbetoneigenschaften, wie etwa die Druckfestigkeit und die Dauerhaftigkeit, werden von den Eigenschaften der verwendeten Gesteinskörnung beeinflusst Herstellung und Qualitätssicherung erfolgt meistens über einen Vorbrecher und wird anschliessend zu einem Rohmaterial-Lagerplatz geführt. Das runde Rohmaterial wird in kontinuierlicher Menge der Aufbereitung zugeführt, teilweise vorgängig ge waschen oder auch während des Siebvorgangs mit Wasser gereinigt. Die Gesteinskörnungen werden mit Vibrationsschwingungen über die verschiedenen Siebflächen (mehrere Stufen) geführt und in Korngruppen unterteilt sowie in getrennten Silos gelagert. 1 Kiesgrube Kies und Sand werden mittels Wasserstrahl oder mit dem Bagger aus der Wand gelöst. 2 Laden und Fördern Das Material wird für die weitere Aufbereitung zum Vorbrecher transportiert. 3 Transport Förderbänder transportieren das Rohmaterial zur Weiterverarbeitung. 4 Absieben Das Material wird auf der Rundstrasse gesiebt und in verschiedene Korngruppen getrennt. B1 B1 Wasseraufbereitung Das Prozesswasser wird in einem Kreislauf geführt. B2 Waschen Das Rundmaterial wird gewaschen. Die dabei ausgeschwemmten Feinstanteile gelangen in grosse Absetzbecken. B3 Zwischenlager Sand-, Kies- und Splittfraktionen verbleiben in getrennten Silos bis zur Verladung. B2 B3 5 Logistik Die aufbereitete Gesteinskörnung gelangt per Bahn, Lastwagen oder Schiff zu den Verbrauchern. 5 Tab : Praxisübliche und normative Begriffe von Gesteinskörnungen. Allgemeines Die Herstellung und Qualitätssicherung wird am Beispiel von natürlicher Gesteinskörnung dargestellt, die ausschliesslich einer mechanischen Aufbereitung unterzogen worden ist. Gesteinskörnungen, die für die Herstellung von Beton verwendet werden dürfen, müssen die Anforderungen der Norm SN EN erfüllen. Die praxisüblichen Begriffe werden in der Norm SN EN Gesteinskörnungen nicht mehr oder nur zum Teil genutzt, sind aber im schweizerischen Sprachgebrauch noch üblich, da sie nicht zuletzt auch zwischen natürlich gerundetem und gebrochenem Korn unterscheiden (Tab ). Kies- und Sandgewinnung Kiessande aus Fluss- und Gletscherablagerungen sind meist natürlich gerundet. Im Kieswerk erfolgt der Abbau über mehrere Stufen mit dem Radlader oder im Spritzverfahren über die gesamte Abbauhöhe des Vorkommens (siehe Abb ). In den Seen werden die abgelagerten Gesteinskörnungen mit einem Saugbagger an die Oberfläche gefördert. Die Aufgabe der Gesteinskörnungen Praxisübliche Begriffe Filler Sand/Brechsand Kies/Splitt/Schotter Zuschlag Bezeichnung nach Norm SN EN Füller feine Gesteinskörnung grobe Gesteinskörnung Korngemisch Abb : Kies- und Sand gewinnung im Spritzverfahren. Splitt- und Brechsandherstellung Splitt wird entweder in Steinbrüchen, im Tunnelbau als Ausbruchmaterial oder im Kieswerk in Brechanlagen hergestellt. Im Steinbruch erfolgt der Abbau mit Sprengungen an den Abbaustufen und im Untertagebau mit Bohrmaschinen oder im Sprengausbruch. Im Kieswerk werden übergrosse Körner (> 45 mm) im Aufbereitungsprozess auf die gewünschte Grösse heruntergebrochen (Splittstrasse). Bei den gebrochenen Gesteinskörnungen wird das Rohmaterial weiteren Brechern (Prall-, Hammer- oder Kreiselbrechern) zugeführt, welche die Gesteinskörner weiter zerkleinern. Dieses Material wird trocken ausgesiebt, passende Körner fallen in die Korngruppensilos, während grössere Körner nochmals in den Brechvorgang gelangen. Abb : Grafische Darstellung der Herstellung von Gesteinskörnungen. Bezeichnung gemäss Norm SN EN Korngrösse nach Norm SN EN [mm] Lieferkörnungen Gesteinskörnungen (GK) werden in Korngruppen entsprechend der Korngrösse in sogenannten Lieferkörnungen hergestellt. Die Korngruppen werden durch Angabe von zwei Begrenzungssieben (d/d) bezeichnet (d = Siebweite des unteren Begrenzungssiebes; D = Siebweite des oberen Begrenzungssiebes). Das Verhältnis D/d darf nicht kleiner als 1.4 sein. Übliche Lieferkörnungen sind in Tabelle aufgeführt. Sowohl bei der Kies- als auch der Splittgewinnung können die Korngruppen als einzelnes Produkt oder als Korngemisch bestehend aus mehreren Korngruppen an den Kunden geliefert werden. Der Transport kann lose oder in Big-Bags per Bahn, LKW oder Schiff erfolgen. Übliche Lieferkörnungen [mm] feine Gesteinskörnung D 4 und d = 0 0/1; 0/2; 0/4 grobe Gesteinskörnung eng gestuft: D > 11.2 und D/d 2 oder D 11.2 und D/d 4 weit gestuft: D > 11.2 und D/d > 2 oder D 11.2 und D/d > 4 4/8; 8/11; 8/16; 16/22; 16/32 4/32 Korngemisch D 45 und d = 0 0/16; 0/32 Tab : Übliche Lieferkörnungen. 24 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 25

14 1. Die Ausgangsstoffe zur Betonherstellung 1.3 Gesteinskörnungen für Beton Qualitätssicherung Die Aufgaben der nach der Norm SN EN (SN b) zertifizierten Hersteller umfassen die korrekte Wartung, Kontrolle und Kalibrierung seiner Anlage und Einrichtungen und die Kontrolle der laufend produzierten Gesteinskörnungen, damit nicht konforme Gesteinskörnungen rechtzeitig erkannt und nicht ausgeliefert werden. Mit einer geeigneten Lagerung und Handhabung der Gesteinskörnungen sollen Verunreinigungen, Vermischungen und Entmischungen vermieden werden. Die Konformitätserklärung des Herstellers beruht auf einer Erstinspektion des Werkes durch eine anerkannte Zertifizierungsstelle, welche dem Hersteller ein Zertifikat zu seinen Erstprüfungen und seiner werkseigenen Produktionskontrolle ausstellt Normative Anforderungen Die Schweizerischen Anforderungen an die Gesteinskörnungen für die Eignung zur Herstellung von Beton sind in der Norm SN EN festgelegt. Es wird zwischen geometrischen, physikalischen und chemi - schen An forderungen an Gesteinskörnungen für Beton unter schieden. In der Schweiz werden für einige Eigenschaften petro graphische Anforderungen anstelle der Dauerhaftig keits-anforderungen der europäischen Ge steins körn ungsnorm gestellt. Die Anforderungen an die Gesteins körnung werden in der Regel in Klassen, sogenannte Kategorien, eingeteilt, die eine Eigenschaft der Gesteinskörnung als Bandbreite oder Grenzwert vorgeben. Geometrische Anforderungen Allgemeines Geometrische Anforderungen werden an die Kornzusammensetzung, die Feinanteile und die Kornform gestellt. Zur Prüfung der geometrischen Eigenschaften werden Siebungen mit Begrenzungssieben unterschiedlicher Sieb öffnung durchgeführt (Abb ). Dabei wird zwischen einem Grundsiebsatz und Ergänzungssiebsätzen unterschieden (Abb ). In der Schweiz muss gemäss Norm SN der Grundsiebsatz plus dem Ergänzungssiebsatz 1 angewendet werden. Für die praktische Analyse einer Kornzusammensetzung wird der Prüfsiebsatz angewendet, in dem die feine Gesteinskörnung weiter unterteilt ist. Unter- und Überkorn Die Aufbereitung der Gesteinskörnung führt produktionsbedingt dazu, dass stets eine Menge kleinerer und grösserer Körner vorhanden ist, als den Sieben entspricht. Das sogenannte Unterkorn ist das Korn, dass bei einer Siebung durch das untere Sieb hindurch fällt und das sogenannte Überkorn, das auf dem oberen Sieb liegen bleibt (Abb ). Siebdurchgang [M.-%] Sieböffnung [mm] Anteil der Korngruppen = 38% = 17% = 5% = 7% = 13% 20 7 = 13% 7 2 = 5% 8/16 4/8 2/4 1/2 0.5/1 0.25/ /0.25 Abb : Beispiel einer Sieblinie für ein Korngemisch 0 16 mm (logarithmische Darstellung). Abb : Prüfsiebe mit den entsprechenden Siebrückständen. Kornzusammensetzung ( Sieblinie ) Eine Kornzusammensetzung entspricht dem Mengenverhältnis von einzelnen Korngruppen eines Korngemischs. Durch Aussieben des Korngemisches mit einem Prüfsiebsatz verbleiben auf jedem Sieb Siebrückstände, die in Form einer Kornzusammensetzung, einer sogenannten Sieblinie, in Massenprozenten dargestellt werden. Die Differenz benachbarter Siebe ist der Kornanteil. In der Auffangschale verbleibt der Anteil der Gesteinskörnung, der durch das mm-Sieb hindurchfällt, die sogenannten Feinanteile. Die Abzisse (horizontale Achse) ist logarithmisch geteilt, wodurch eine graphische Aufweitung des Feinbereiches und damit eine bessere Auflösung erreicht wird (Abb ). 8 mm Sieb Rückstand 0% Durchgang 100% 4 mm Sieb Rückstand 100% Durchgang 0% Korngruppe 4/8 8 mm Sieb Rückstand z.b. 9% Durchgang 91% 4 mm Sieb Rückstand z.b. 84% Durchgang 7% Korngruppe 4/8 Überkorn Abb : Korngruppe 4/8 mm ohne Über- und Unterkorn (links) und mit Über- und Unterkorn (rechts). Unterkorn Feinanteile Mehlkorn feine Gesteinskörnungen grobe Gesteinskörnungen Grund- und Ergänzungssiebsatz 1 zur Bezeichnung der Korngrösse Prüfsiebsatz der Kornzusammensetzung Abb : Grund- und Ergänzungssiebsatz 1 für die Bezeichnung der Korngruppen und Prüfsiebsatz, aufgebaut auf der Verdopplungsfolge gemäss der Norm SN Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 27

15 1. Die Ausgangsstoffe zur Betonherstellung 1.3 Gesteinskörnungen für Beton Abb : Zulässige Grenzbereiche für eng gestufte Korngruppe 8 16 mm (oben) und weit gestufte grobe Korngruppe 4 32 mm (unten) mit ihren zulässigen Grenzabweichungen vom typischen Siebdurch gang (logarithmische Darstellung). Grobe Gesteinskörnungen Bei den groben Gesteinskörnungen wird zwischen eng gestuften und weit gestuften Korngruppen unterschieden. Bei eng gestuften groben Gesteinskörnungen wird lediglich eine Anforderung an den zulässigen Über- und Unterkornanteil gestellt. Bei weit gestuften groben Gesteinskörnungen hingegen sind neben den Anforderungen an den zulässigen Über- und Unterkornanteil auch Anforderungen an die Absolut-Grenzwerte und Grenzabweichungen (G TX ) für den Siebdurchgang eines zwischen den Begrenzungssieben liegenden mittleren Siebs einzuhalten. In Abbildung sind die Anforderungen an den Sieblinienverlauf einer eng gestuften Korngruppe 8 16 mm (oben) und einer weit gestuften Korngruppe 4 32 mm (unten) dargestellt. Die Sieblinie dieser Körnungen müssen in dem rosa unterlegten Bereich (Absolut- Grenzwerte) verlaufen. Korngruppe 8/16 mm eng gestuft Kategorie G C 85/ Siebdurchgang [M.-%] Feine Gesteinskörnungen Es gibt keine absoluten Anforderungen an die Kornzusammensetzung von feinen Gesteinskörnungen, ausser den Siebdurchgang durch das obere Begrenzungssieb D. Der Hersteller muss für jede produzierte feine Gesteinskörnung die typische Kornzusammensetzung angeben. Die Anforderungen an die Grenzabweichungen sind für die meisten Anwendungsgebiete geeignet (Abb ). Für spezielle Anwendungszwecke sind verminderte Grenzabweichungen gemäss der Norm SN EN 12620, Anhang C, anzuwenden. Sand 0/4 mm Kategorie G F Siebdurchgang [M.-%] ±3% ±20% ±20% 99 ±5% Sieböffnung [mm] Grenzbereich Kornzusammensetzungen nach der Norm SN EN Typische Siebkurve des Herstellers Feinanteil f angegeben Korngemisch 0/16 mm Kategorie G A Siebdurchgang [M.-%] ±5% 40 ±20% Sieböffnung [mm] Feinanteile Feinanteile (D mm) können die Betoneigenschaften nachteilig verändern. Bei Korngemischen wird deshalb der zulässige Gehalt an Feinanteilen auf 11 M.-% (f 11 ) und bei groben Gesteinskörnungen auf 1.5 M.-% (f 1.5 ) eingeschränkt. Durch Waschen werden die Feinanteile von groben Gesteinskörnungen im Kieswerk entfernt (Abb ). Bei höheren Gehalten an Feinanteilen kann die Eignung mit Hilfe von Vorversuchen im Beton nachgewiesen werden ±20% Grenzbereich Kornzusammensetzungen nach der Norm SN EN Typische Siebkurve des Herstellers max. Feinanteil f Korngemisch 0/32mm Kategorie G A Siebdurchgang [M.-%] ±20% Sieböffnung [mm] Kornform Die Kornform hängt von der petrographischen Zusammensetzung ab. Während Mittellandkiese vorwiegend kubisch-kugelig sind, treten bei alpinen und voralpinen Gesteinskörnungen oft auch plattig-stengelige Kornformen auf (Abb ). Die Kornform wird mit Hilfe der Plattigkeitskennzahl beschrieben. Diese wird an groben Gesteinskörnungen nach der Norm SN EN ermittelt und wird als Flakiness Index (FI) angegeben. Es werden keine Anforderungen gestellt ±20% Grenzbereich Kornzusammensetzungen nach der Norm SN EN Typische Siebkurve des Herstellers max. Feinanteil f Abb : Zulässige Grenzabweichungen vom typischen Siebdurchgang für Korngemische 0/16 mm (links) und 0/32 mm (rechts) (logarithmische Darstellung) Sieböffnung [mm] Grenzbereich Kornzusammensetzungen nach der Norm SN EN Beispiel Siebkurve max. Feinanteil f 1.5 Korngruppe 4/32 mm weit gestuft Kategorie G C 90/ Siebdurchgang [M.-%] Abb : Zulässige Grenzabweichungen für die vom Hersteller ange gebene typische Kornzusammensetzung von feinen Gesteinskörnungen am Beispiel von Sand 0/4 mm (logarithmische Darstellung). Korngemische Korngemische müssen grobe und feine Anteile enthalten, mit d = 0 und D max bis 45 mm. Sie müssen die allgemeinen Anforderungen an die Kornzusammensetzung (Überkornanteile), sowie an den Siebdurchgang bei zwei mittleren Zwischensieben erfüllen. Abb : Aussieben und Waschen von Gesteinskörnern im Kieswerk. Kubisch-kugelige Kornform G T 17.5 Toleranz ± Sieböffnung [mm] Grenzbereich Kornzusammensetzungen nach der Norm SN EN Typische Siebkurve des Herstellers max. Feinanteil f 1.5 Plattig-stengelige Kornform Abb : Kornformen von Gesteinskörnungen. 28 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 29

16 1. Die Ausgangsstoffe zur Betonherstellung 1.3 Gesteinskörnungen für Beton Tab : Petrographische Anforderungen an die Zusammensetzung von natürlicher und rezyklierter Gesteins körnung gemäss der Norm SN EN Tab : Chemische Anforderungen an Gesteinskörnungen gemäss der Norm SN EN Physikalische Anforderungen Die physikalischen Anforderungen umfassen im Wesentlichen Eigenschaften wie Rohdichte, Wasseraufnahme und Polierwiderstand. Je nach Verwendungszweck können weitere Eigenschaften wie z. B. der Widerstand gegen Zertrümmerung, Verschleiss und Abrieb geprüft werden. Rohdichte Die Rohdichte ist für alle Korngruppen anzugeben. Gesteinskörnungen werden nach ihrer Rohdichte in verschiedene Kategorien eingeteilt. Normale natürliche Gesteinskörnungen weisen eine Rohdichte im Bereich von 2500 bis 2700 kg/m 3 auf. Rezyklierte Gesteinskörnungen werden in Betonund Mischgranulat unterteilt und für Reyclingbeton eingesetzt (siehe Kapitel 5.1). Bei Betongranulat liegt die Rohdichte zwischen 2100 und 2500 kg/m 3 und bei Mischgranulat zwischen 1800 und 2300 kg/m 3. Leichte Gesteinskörnungen mit einer Rohdichte unter 2000 kg/m 3 wie z. B. Blähton, Blähglas, Bims und Glasschotter werden für Leicht- und Dämmbetone eingesetzt (siehe Kapitel 5.2). Schwere Gesteinskörnungen mit einer Rohdichte über 3000 kg/m 3, wie Barit, Eisenschrot, Eisenspäne, werden z. B. bei Betonbauten für den Strahlenschutz eingesetzt. Wasseraufnahme Die Wasseraufnahme, d. h. die Kernfeuchte, einer Gesteinskörnung ist variabel und muss für jede Gesteinskörnung einzeln bestimmt werden. Erfahrungen mit den Schweizer Gesteinen zeigen, dass sich die üblichen Wasseraufnahmen zwischen 0.5 und 1.5 M.-% bewegen (siehe Kapitel 1.2.1). Polierwiderstand Für Verkehrsflächen aus Beton ist der Polierwiderstand (PSV) nach der Norm SN EN anzugeben. Er wird an der groben Gesteinskörnung 8/11 mm geprüft und muss mindestens die Kategorie PSV 44 einhalten. Eigenschaft Prüfnorm Gesteinskörnungen: maximal zulässige, bzw. minimal geforderte Anteile Dauerhaftigkeit: Frostbeständigkeit, Quellfähigkeit, ungeeignete Bestandteile, Feinanteile Bestandteile der rezyklierten Gesteinskörnungen (d 8 mm) SN SN EN SN EN XF2, XF3, XF4: 5 M.-% ungeeignete Körner XF1: 10 M.-% ungeeignete Körner Druckfestigkeitsklasse C8/10: 15 M.-% ungeeignete Körner Betongranulat*: Ra 1 M.-% Rb 5 M.-% Rc 25 M.-% Ru 75 M.-% (X + Rg) 0.3 M.-% FL 2 M.-% * Rc: Beton, Betonprodukte, hydraulisch gebundene Gesteinskörner, Mörtel, Mauersteine aus Beton Ru: ungebundene natürliche Gesteinskörner, Naturstein Rb: Mauerziegel, Mauersteine, Dachziegel, nicht schwimmender Porenbeton, Kalksandsteine Ra: Bitumenhaltige Materialien Rg: Glas FL: schwimmendes Material X: sonstige Materialien (Metall, Holz, Kunststoff, Gummi, Gips, nicht schwimmende Körner, Erde usw.) Eigenschaften Natürliche Gesteinskörnung Gesteinskörnungen Gesamtschwefelgehalt S 1 säurelöslicher Sulfatgehalt* AS 0.8 Rezyklierte Gesteinskörnung wasserlöslicher Sulfatgehalt keine SS 0.2 Bestandteile, die das Erstarren und Erhärten beeinflussen keine A 10 säurelöslicher Chloridgehalt keine ist anzugeben wasserlöslicher Chloridgehalt* ist anzugeben * Bestimmung für natürliche Gesteinskörnung nur bei Verdacht aufgrund petrographischer Analyse. Mischgranulat*: Ra 1 M.-% Rb = 5 25 M.-% (Rc + Ru) 95 M.-% (X + Rg) 0.3 M.-% FL 2 M.-% Petrographische Anforderungen Die grundsätzliche Eignung, bzw. die Dauerhaftigkeit, wie z. B. die Frostbeständigkeit, Raumbeständigkeit usw. werden anhand der petrographischen Zusammen - setzung beurteilt. Mindestanforderungen werden bei der petrographischen Zusammensetzung von natürlichen Gesteins körnungen und bei der Zusammensetzung von rezyklierten Gesteinskörnungen gestellt (Tab ). Petro graphische Anforderungen bezüglich Alkalireaktivität sind im Merkblatt SIA 2042 festgelegt. Chemische Anforderungen Chemische Anforderungen an natürliche und rezyklierte Gesteinskörnungen werden bezüglich Gesamtschwefelgehalt, wasser- und säurelöslichem Sulfatgehalt, wasserund säurelöslichem Chloridgehalt sowie Bestandteilen, die das Erstarren und Erhärten beeinflussen, gestellt (Tab ) Eigenschaften von Gesteinskörnungen für Beton Eine qualitativ gute Gesteinskörnung beeinflusst mit ihren Eigenschaften wie Kornform, Oberflächenbeschaffenheit, Korndichte, Kornfestigkeit und seiner Kornzusammensetzung wesentlich die Eigenschaften des Betons. Je nach Verwendungszweck können auch andere Eigenschaften wie die Farbe, die Herkunft, das Verhalten gegenüber ionisierender Strahlung, die Wärmedehnung bei Brand oder hohen Betriebstemperaturen, die Säureresistenz, eine besondere Bedeutung für das Erfüllen bestimmter Anforderungen haben. natürlich gerundet Kornform kugelig nicht kugelig (stengelig/plattig) Kornform und Oberflächenbeschaffenheit Zusammen mit der Oberflächenbeschaffenheit natürlich gerundete oder gebrochene Körner sind die spezifische Oberfläche und die Kornform der Einzelkörner massgeblich für den Wasserbedarf und für die Verarbeitbarkeit des Betons verantwortlich. Die Gesteinskörner sollten für eine gute Verarbeitbarkeit möglichst kubischkugelige Formen mit glatter Oberfläche auf weisen (Abb ). Die Praxis hat aber gezeigt, dass auch Korngemische aus Brechkorn gebrauchstauglich sind, obwohl sie wegen ihrer meist sperrigeren Kornform schwieriger zu verarbeiten sind und einen höheren Zementleimbedarf haben. Gebrochene, längliche Gesteinskörnungen mit rauher Oberfläche können sich aber besser verzahnen und so die Druck-, Zug- und Abriebfestigkeit des Betons verbessern. Packungsdichte Die Korngrössenverteilung sollte eine hohe Packungsdichte des Korngerüstes ermöglichen, indem dank einer geeigneten Kornabstufung die kleineren Körner die Hohlräume zwischen den grösseren Körnern ausfüllen. Dadurch kann das nötige Zementleimvolumen für die Einbettung der Körner und die Verfüllung der verbleibenden Hohlräume möglichst gering gehalten werden (Abb ). kubisch gebrochen Kantigkeit rund kantig Oberflächenrauigkeit spezif. Oberfläche Wasserbedarf Verarbeitbarkeit Verdichtbarkeit glatt Grosser Hohlraumgehalt bei einem Einkorngemisch Abb : Einfluss der Korngrössenverteilung auf die Packungsdichte anhand einer lose geschütteten Gesteinskörnung. zunehmend abnehmend rau Geringer Hohlraumgehalt bei einem gut abgestuften Korngemisch nicht kubisch (stengelig/plattig) Abb : Einfluss der Kornform und Kornoberfläche auf die Frischbetoneigenschaften. 30 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 31

17 1. Die Ausgangsstoffe zur Betonherstellung 1.3 Gesteinskörnungen für Beton Ausfallkörnungen Kornzusammensetzungen, in denen einzelne Korngruppen praktisch ganz oder teilweise fehlen, sind sogenannte Ausfallkörnungen. Die Kornzusammensetzung hat dort einen unstetigen Verlauf (Abb ). In einigen Fällen werden unstetige Sieblinien mit Ausfallkörnungen eingesetzt, um die Verarbeitbarkeit und die Verdichtbarkeit zu verbessern. Dies betrifft vorrangig die Korngruppe 4 8 mm (grau gekennzeichneter Bereich). Körnungsziffer k = Summe aller Siebrückstände R d 100 k Körnungsziffer [-] R d Rückstände auf den einzelnen Sieben (ab 0.25 mm bis 63 mm) [M.-%] Gl Wasser [kg/(m 3 verdichteter Beton)] F3 (weich) F2 (plastisch) F1 (steif) verhindert eine Entmischung beim Einbringen und erleichtert das Verdichten des Betons erhöht die Gefügedichte verbessert die Wirksamkeit von Zusatzmitteln verbessert die Oberflächenbearbeitung beim Abziehen und Glätten. Durchmesser des Grösstkorns Abb : Unstetige Siebkurve mit einer Ausfall körnung für die Korngruppe 4 8 mm (logarithmische Darstellung). Abb : Frischbeton mit: zu geringem Anteil an feiner Gesteinskörnung (links), optimalem Anteil an feiner Gesteinskörnung (Mitte), zu hohem Anteil an feiner Gesteinskörnung (rechts). Ausfallkörnung 4/8mm bei einem Korngemisch 0/32mm 100 Siebdurchgang [M.-%] Sieböffnung [mm] Verarbeitbarkeit und Wasseranspruch Grobkörnige, sandarme Korngemische, die unterhalb des zulässigen Sieblinienbereiches liegen, lassen sich in der Regel nur schlecht verarbeiten und verdichten. Hingegen zeigen sandreiche Mischungen oberhalb des bewährten Sieblinenbereiches einen hohen Zementleimanspruch (Abb ). Mit Hilfe der Körnungsziffer k lassen sich Sieblinien praktisch beurteilen. Je kleiner die Körnungsziffer ist, desto geringer ist das Grösstkorn und desto höher ist der Anteil kleiner Körner. Damit vergrössert sich die spezifische Ober fläche und erhöht sich der Wasseranspruch des Korngemisches. Anhand der Körnungsziffer kann je nach angestrebtem Konsistenzbereich der Wasserbedarf abgeschätzt werden. Siebloch - weite Beispiel 2: Berechnen der Körnungsziffer k für ein praxisübliches Korngemisch 0 32 mm. Gegebene Zusammensetzung: Siebrückstand 471 k = = In Abbildung ist der Wasserbedarf von Betonen mit unterschiedlichen Konsistenzen als Funktion der Körnungs ziffer k dargestellt. Der Wasseranspruch wurde empirisch an Betonen mit oberflächentrockener Gesteinskörnung ohne Fliessmittel ermittelt und entspricht dem wirksamen Wassergehalt (siehe Kapitel 1.2). Für eine Sieblinie 0 32 mm wurde eine Körnungsziffer k von 4.71 mit Gleichung berechnet (Beispiel 2). Der Wasser anspruch dieser Gesteinskörnung beträgt für einen Beton im Konsistenzbereich F3 ohne Fliessmittel ca. 170 l/m 3 (siehe auch Tabelle 2.3.6) Abb : Wasseranspruch von Betonen in Abhängigkeit der Körnungsziffer für Betone mit unterschiedlichen Konsistenzen (ohne Fliessmittel). Gesteinskörnungen werden oftmals unter freiem Himmel zwischengelagert, bevor sie ins Betonwerk transportiert werden. Durch vorangegangene Regenperioden bzw. Trockenzeiten kann die Oberflächenfeuchte der Gesteinskörnungen stark schwanken. Die genaue Oberflächenfeuchte ist im Betonwerk zu bestimmen und bei der Zugabewassermenge zu berücksichtigen. Praxisübliche Feuchtigkeitsgehalte von natürlich gerundeten Schweizer Gesteinskörnungen sind: Korngruppe [mm] Feuchtigkeitsgehalte der Gesteinskörnung [M.-%] Sand 0/ Kies 4/ Kies 8/ Kies 16/ k-wert [-] Tab : Richtwerte für Feuchtigkeitsgehalte von natürlich gerundeter Gesteinskörnung. Mehlkorn Zum Mehlkorn werden alle Komponenten im Beton mit Korngrösse mm gezählt, also Anteile der Gesteinskörnung, Zement und Zusatzstoffe. Das Mehlkorn wirkt als Schmiermittel im Beton. Für eine gute Verarbeitbarkeit, insbesondere bei Pumpbeton, selbstverdichtendem Beton, aber auch für schöne Sichtbetonoberflächen ist auf eine genügende Mehlkornmenge zu achten. Die Richtwerte in Tabelle für solche Anwendungen sind gegebenenfalls anzupassen. Ein optimaler Mehlkorngehalt erhöht die Schmierfilmmenge ohne nennenswerte Erhöhung des Wasseranspruches gewährt eine verbesserte Verarbeitbarkeit des Betons verbessert das Wasserrückhaltevermögen und verhindert das Bluten des Betons während und nach der Verarbeitung (siehe Kapitel 8.2) Mehlkorngehalt [kg/m 3 Beton] Tab : Richtwerte des Mehlkorngehaltes in Abhängigkeit vom Durchmesser des Grösstkorns. Feine Gesteinskörnungen Die Korngruppe 0 4 mm ist wegen ihres hohen Anteils an spezifischer Oberfläche die Schlüsselkomponente für die Qualität eines Korngemischs. Die Korngruppe 0 4 mm wird in der Regel bei der Aufbereitung aus verschiedenen Komponenten zusammengesetzt (z. B. Natursand gewaschen / Brechsand trocken und/oder Brechsand gewaschen). Zur Zeit werden keine rezyklierten feinen Gesteinskörnungen für Beton hergestellt. Feinsandreiche Mischungen (mit mehr als 30 M.-% Anteile < 2 mm) haben eine hohe spezifische Oberfläche und benötigen einen erhöhten Zementleimgehalt. Grösstkorn Die Wahl des Grösstkorns wird meistens von den Abmessungen des Bauteils, dessen Form, der Bewehrungsdichte und dem Einbauverfahren bestimmt. Eine Faustregel besagt, dass das Grösstkorn nicht grösser sein sollte als 1/4 der kleinsten Bauteildicke oder des Bewehrungsabstandes und -überdeckung. Bei massigen, unbewehrten Bauteilen können Grösstkörner bis 125 mm Durchmesser eingesetzt werden. Bei eng bewehrten, schlanken Bauteilen mit komplizierten Geometrien oder mit Sichtbetonanforderungen kommt häufig ein Grösstkorn von 16 mm zum Einsatz. Im Normalfall hat sich aus praktischen und wirtschaftlichen Gründen ein Grösstkorn von 32 mm durchgesetzt. 32 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 33

18 1. Die Ausgangsstoffe zur Betonherstellung 1. Die Ausgangsstoffe zur Betonherstellung 1.4 Zusatzmittel 1.4 Zusatzmittel Normative Anforderungen In SN EN werden die Zusatzmittel bezüglich Anforderungen, Konformität, Kennzeichnung und Beschriftung definiert (Tab ). Ausbreitmass [mm] Abb : Einfluss von Fliessmitteln auf das Ausbreitmass und den w/z-wert. Tab : Bezeichnung, Abkürzung und Beschreibung der Zusatzmittel Einleitung Zusatzmittel werden dem Frischbeton meist in flüssiger Form zugegeben, um durch ihre chemischen und/oder physikalischen Wirkungen die Eigenschaften des Betons zu beeinflussen. Je nach Art des eingesetzten Zusatzmittels können sowohl die Eigenschaften des Frischbetons, z. B. das Erstarrungsverhalten und die Verarbeitbarkeit, als auch die Eigenschaften des erhärteten Betons, wie z. B. die Festigkeit und die Dauerhaftigkeit, gezielt verändert werden. Für den Einsatz von Zusatzmitteln gibt es technologische und wirtschaftliche Gründe. So lässt sich z. B. durch die Zugabe von geringen Mengen eines Fliessmittels ein Teil des Zugabewassers bei der Betonherstellung einsparen. Bezeichnung Abkürzung Wirkung Durch die damit verbundene Reduktion des w/z-wertes kann, bei guter Verarbeitbarkeit, ein sehr dichter Beton mit wenig Kapillarporen und dadurch verbesserter Dauerhaftigkeit hergestellt werden. Als Wirkstoffe für Zusatzmittel werden eine Vielzahl anorganischer und organischer Substanzen verwendet. Für eine optimale Wirksamkeit müssen die Zusatzmittel auf den Zement abgestimmt werden. Weitere Einflüsse auf die Wirksamkeit der Betonzusatzmittel können der Wassergehalt, die feine Gesteinskörnung (Sand) sowie die Mischintensität, die Mischdauer und die Temperatur haben. Betonverflüssiger BV Verminderung des Wasseranspruchs und/oder Verbesserung der Verarbeitbarkeit Fliessmittel FM Starke Verminderung des Wasseranspruchs und/oder Verbesserung der Verarbeitbarkeit Luftporenbildner LP Einführung kleiner, gleichmässig verteilter Mikroluftporen zur Erhöhung des Frost- und Frosttaumittelwiderstandes Verzögerer VZ Abbindeverzögerung des Betons (Betonieren bei hohen Temperaturen) Erstarrungsbeschleuniger SBE Beschleunigung des Abbindens von Beton nach dem Mischen Erhärtungsbeschleuniger HBE Beschleunigung der Erhärtung des Betons (Frühfestigkeit) mit und ohne Veränderung der Abbindezeit Viskositätsmodifizierer VMA Begrenzung der Entmischung durch Verbesserung der Kohäsion im Beton Dichtungsmittel DM Verminderung der kapillaren Wasseraufnahme Stabilisierer ST Erhöhung des Zusammenhaltes, Verbesserung der Kohäsion Entlüftungsmittel EL Reduktion des Luftgehaltes des Frischbetons Frostschutzmittel FS Erhöhung der Gefrierbeständigkeit des jungen Betons Massenhydrophobierungsmittel MH Reduziert das kapillare Saugen des Betons Schwindreduktionsmittel SRA Reduziert das Trockenschwinden des Betons Dosierung Die Zugabemenge, bezogen auf das Zementgewicht, liegt im Allgemeinen im Bereich von 0.2 bis 2 M.-%. Bei Dosierungen von mehr als 3 l/m 3 Beton muss die im Zusatzmittel enthaltene Wassermenge bei der Berechnung des w/z-werts berücksichtigt werden. Die Gesamtmenge an Zusatzmitteln darf weder die vom Zusatzmittelhersteller empfohlene Höchstdosierung noch 5 M.-% vom Zement im Beton überschreiten (Ausnahme: Erstarrungsbeschleuniger für Spritzbeton bis 12 M.-%). Überdosierungen können zu unerwünschten Effekten, wie z. B. Abbindeverzögerung, starkem Entmischen bei Fliessmitteln oder Druckfestig keits verlust bei LP-Mitteln führen. Unterdosierungen führen meist nicht zum angestrebten Effekt des Zusatzmittels. Zusatzmittel sollten nach der Wasserzugabe zudosiert werden. Zusatzmittelmengen unter 0.2 M.-% sollten mit einem Teil des Zugabewassers vermischt dosiert werden, da bei diesen Kleinmengen Dosierungsungenauigkeiten auftreten. Bei Zugabe mehrerer Zusatzmittel muss die Verträglichkeit nachgewiesen werden. Bei der Verwendung von Zusatzstoffen wird empfohlen, die Zusatzmittelmengen ausschliesslich auf den Zementgehalt zu beziehen. Lagerfähigkeit/Haltbarkeit Zusatzmittel sind bei ihrer Lagerung vor Verunreinigungen und starker, direkter Sonnenstrahlung zu schützen. Bei einer Lagertemperatur von ca. 20 C können Zusatzmittel bis zu einem Jahr haltbar sein. Flüssige Zusatzmittel sind frostsicher aufzubewahren, pulverförmige Zusatzmittel sind vor Feuchtigkeit zu schützen Eigenschaften der wichtigsten Zusatzmittel Betonverflüssiger (BV) und Fliessmittel (FM) Fliessmittel, auch Hochleistungsverflüssiger genannt, sind in der Schweiz die am häufigsten gebrauchten Zusatzmittel. Hingegen finden Betonverflüssiger (BV) in der Schweiz kaum noch Verwendung. Die verflüssigende Wirkung wird entweder durch grenz flächen aktive Stoffe (Ligninsulfonat, Naphthalinsulfonat) oder durch dispergierende Stoffe (Melaminsulfonat, Polycarboxylat/-ether) erreicht. Die Wirkung eines Fliessmittels ist in Abbildung anschaulich dargestellt: Fliessmittel verbessern bei gleichem w/z-wert die Verarbeitbarkeit des Betons 1 oder vermindern bei gleicher Verarbeitbarkeit den Wasseranspruch und damit den w/z-wert 2, was zu einer Erhöhung von Festigkeit und einer Verringerung der Porosität führt. Eine gleichzeitige Verbesserung der Verarbeitbarkeit und Verminderung des w/z-werts ist ebenfalls möglich mit FM ohne FM w/z-wert [-] In Tabelle ist der Einfluss der wichtigsten Betonverflüssiger und Fliessmittel auf die mögliche Wasserreduktion im Beton zusammengestellt. Für die relative Wasserreduktion wird eine Dosierung des Betonverflüssigers bzw. Fliessmittels von 1 % bezogen auf das Zementgewicht zu Grunde gelegt. Die Wasserersparnis nimmt in der Reihenfolge Lignin-, Melamin- und Naphthalinsulfonat sowie Polycarboxylat/-ether zu. Eine optimale Verflüssigungswirkung von Fliessmitteln wird erreicht, wenn die Zugabe des Fliessmittels zeitverzögert zwischen der Hauptwasserzugabe und der Feinwasserdosierung erfolgt. Wirkstoff des Betonverflüssigers bzw. Fliessmittels Relative Wasserreduktion [M.-%] Ligninsulfonat 5 10 Melaminsulfonat Naphthalinsulfonat Polycarboxylat/-ether (PCE) Tab : Wasserreduktion von den wichtigsten Betonverflüssigern und Fliessmitteln. 34 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 35

19 1. Die Ausgangsstoffe zur Betonherstellung 1.4 Zusatzmittel Abb : Schematische Darstellung der Luft poren im Betongefüge. Luftporenbildner (LP) Luftporenbildner sind grenzflächenaktive Stoffe (Wurzelharze und deren Modifikationen sowie synthetische Tenside). Die Aufgabe der Luftporenbildner ist es, sogenannte Mikroluftporen mit einem Durchmesser von ca. 10 bis 300 µm in den Beton einzuführen. Dadurch wird die Frost- und Frost-Taumittelbeständigkeit des Betons (siehe Kapitel 6.2) wesentlich erhöht, jedoch nimmt die Druckfestigkeit je nach eingeführtem Luftgehalt deutlich ab. Die Luftporen nehmen beim Gefrieren des Betons das verdrängte Kapillarwasser zum Teil auf und bieten Ausdehnungsraum für das gefrierende Wasser (siehe Kapitel 8.4). Sie vermindern somit die Gefahr des Zersprengens des Betons infolge des Eisdrucks (Abb ). Luftporenrand geschlossene Kapillarpore Gelpore offene Kapillarpore Gelteilchen Für einen praxisüblichen Luftgehalt im Beton von 3 5 Vol.-% (D max = 32 mm) und 4 6 % (D max = 16 mm) genügen meist sehr geringe Luftporenmittelmengen ( M.-%). Allerdings hängt die entstehende Luftporenmenge im Beton nicht allein von der Art und der Dosierung des Luft porenbildners ab, sondern auch vom Zeitpunkt seiner Dosierung. Entgegen der allgemeinen Empfehlung für die Dosierung von Zusatzmitteln sollten Luftporenmittel gleichzeitig mit dem Zugabewasser dosiert werden, damit sie ihre Wirkung entfalten. Die Luftporen wirken auch verflüssigend, so dass die Verarbeitbarkeit des Betons verbessert wird. Bei der Verwendung von Luftporenmitteln ist das Volumen der eingeführten Luft bei der Stoffraumrechnung des Betons zu berücksichtigen. Beschleuniger (SBE, HBE) Bei den Beschleunigern wird unterschieden in Abbindebeschleuniger (SBE) und Erhärtungsbeschleunigern (HBE) (siehe Tab ). Diese Zusatzmittel werden eingesetzt, um die Abbinde- und Erhärtungszeit eines Betons zu verkürzen. Sie sorgen für eine raschere Hydratation, um den Beton früher ausschalen, abheben, belasten oder dem Frost aussetzen zu können. Der Einsatz von Beschleunigern ist von ihrer chemischen Wirkung abhängig. Es gibt verschiedene Wirkstoffgruppen, die sich zum einen über die Erhöhung der Ionenkonzentration der Porenlösung (z. B. Ca 2+, Al 3+, OH ) und zum anderen durch die Bildung zusätzlicher, früher Hydratphasen im Beton unterscheiden. Bei Verwendung von chloridhaltigen und rhodanidhaltigen Beschleunigern sind die Einschränkungen bei Stahl- und Spannbeton zu beachten, da sie zur Korrosion der Bewehrung führen können. Erstarrungsbeschleuniger (SBE) finden Verwendung bei: Spritzbeton (geringer Rückprall und gute Klebefähigkeit) Instandsetzungsarbeiten (Reparaturarbeiten mit kurzen Abbindezeiten) Betonieren in fliessenden Gewässern Wassereinbrüche und -infiltrationen. Erhärtungsbeschleuniger (HBE) werden eingesetzt für: Betonieren bei tiefen Temperaturen Betonieren mit kurzen Ausschalungsfristen Betonwaren und Betonfertigteile (Elementwerk) Einsetzen von Ankern. Schwindreduktionsmittel (SRA) Schwindreduzierer (engl. Shrinkage Reducing Admixtures, SRA) werden dem Frischbeton zugefügt, um das Schwinden des Betons zu verringern. Sie bestehen aus nicht-ionischen Netzmitteln, d. h. grenzflächenaktiven Substanzen. Die Wirkung der meisten heute verwendeten Schwindreduktionsmittel besteht in der Verringerung der Oberflächenspannung des Wassers sowohl des Zugabewassers als auch der Porenlösung. Auf diese Weise trocknet der Beton gleichmässiger und vor allem langsamer aus. Als Folge schwindet der Beton weniger und die Rissbildung wird reduziert (siehe Kapitel 3.9). Die Dosierung der Schwindreduktionsmittel beträgt üblicherweise 1 3 M.-% bezogen auf das Zementgewicht. Das Schwinden von Beton nach 28 Tagen kann um bis zu 30 % verringert werden. In der Praxis zeigt sich, dass Schwindreduzierer die Druckfestigkeit geringfügig verringern und den Eintrag von Mikroluftporen durch Luftporenbildner erschweren können. Wirkung auf Verflüssiger/ Fliessmittel Eine andere Möglichkeit der Rissbildung infolge Trockenschwinden entgegen zu wirken, stellt der schwindkompensierte Beton dar. Dem Beton wird ein spezieller Zusatzstoff, z. B. Calciumoxid oder Aluminiumpulver, zugegeben, welcher in den ersten 1 bis 5 Tagen bei genügend Feuchtigkeit zu einem Quellen des Betons führt. Das zu erreichende Quellmass wird so gewählt, dass es ungefähr dem Trockenendschwindmass des Betons entspricht. Als Folge können keine bzw. nur geringe Schwindspannungen auftreten (siehe Kapitel 3.9.2). Der Zusatz von Schwindkompensationsstoffen sollte nur in Zusammenarbeit mit Fachleuten geplant und ausgeführt werden. Bewertung der wichtigsten Zusatzmittel Zusatzmittel können die Betoneigenschaften sowohl im Frischbeton als auch im Festbeton erheblich beeinflussen. Dies ist oft mit komplexen chemischen und/oder physikalischen Reaktionen verbunden. Deshalb sollen Zusatzmittel verschiedener Wirkungsweise nicht miteinander gemischt werden und Zusatzmittel gleicher Wirkungsweise, aber verschiedener Hersteller nicht miteinander kombiniert werden. Um die am besten geeigneten Zusatzmittel in richtiger Dosierung für einen Beton aus Zement, Zusatzstoff, Wasser und Gesteinskörnung zu finden, sind Erstprüfungen unabdingbar. Die Wirkung der fünf wichtigsten Zusatzmitteltypen auf ausgewählte Frisch- und Festbetoneigenschaften werden in Tabelle qualitativ dargestellt. Luftporenbildner Verzögerer Beschleuniger Schwindreduktionsmittel Verarbeitbarkeit Entmischen/Bluten + + Erstarren beschleunigend ++ Erstarren verzögernd ++ Pumpfähigkeit + Frühfestigkeit + ++ Endfestigkeit + Permeabilität + + Frostbe ständig keit Schwinden Tab : Wirkung der fünf wichtigsten Zusatzmitteltypen auf ausgewählte Frischund Festbetoneigenschaften. Verzögerer (VZ) Als Verzögerer werden sowohl organische Wirkstoffe (Saccharose, Hydroxycarbonsäuren, Ligninsulfonate) als auch anorganische Wirkstoffe (Phosphate) eingesetzt. Verzögerer verschieben den Abbindebeginn auf einen späteren Zeitpunkt und erlauben damit eine Verlängerung der Verarbeitung von Betonen. Ihre wichtigsten Anwendungsgebiete sind: Betonieren bei hohen Temperaturen Transport von Beton über grosse Distanzen Betonieren grosser Bauteile und Vermeidung von Arbeitsfugen Verringern des Reinigungsaufwandes bei Pumpen und Mischern Abb : Vorschriftmässiges Tanklager für Zusatzmittel in einem Transportbetonwerk. Betonieren bei kalter Witterung + ++ Betonieren bei warmer Witterung gewünschter positiver Effekt + möglicher positiver Effekt o vernachlässigbarer Effekt möglicher negativer Effekt 36 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 37

20 1. Die Ausgangsstoffe zur Betonherstellung 1.5 Zusatzstoffe 1.5 Zusatzstoffe Betonzusatzstoff Produktnorm Flugasche SN EN Flugasche für Beton Teil 1: Definition, Anforderungen und Konformitätskriterien Tab : Überblick über die wichtigsten Betonzusatzstoffe und die dazugehörigen Produktnormen. SN EN Flugasche für Beton Teil 2: Konformitätsbewertung Silikastaub SN EN Silikastaub für Beton Teil 1: Definition, Anforderungen und Konformitätskriterien SN EN Silikastaub für Beton Teil 2: Konformitätsbewertung Einleitung Zusatzstoffe sind in der Regel feinkörnige Mineralstoffe oder Fasern, die die Eigenschaften des Betons verbessern können (Abb ). Sie können bis auf wenige Ausnahmen im Zement als auch im Beton verwendet werden. Zu den Zusatzstoffen zählen: Gesteinsmehle (Kalkstein- und Quarzmehl) Flugasche Silikastaub Gebrannter Schiefer Hüttensandmehl Puzzolane Pigmente Fasern Zementzusatzstoffe werden als Hauptbestandteile zur Reduktion des Klinkeranteils im Zement eingesetzt. Sie werden bereits im Zementwerk durch gemeinsames Vermahlen und/oder Vermischen mit dem Klinker in den Zement eingebracht. Dadurch wird sowohl eine genaue und gleichbleibende Dosierung als auch eine homogene Verteilung der Zementzusatzstoffe erreicht. Betonzusatzstoffe werden erst im Transportbetonwerk dem Beton zugefügt. Der Vorteil ist, dass das Verhältnis von Zusatzstoff zu Zement frei gewählt und anpasst werden kann. Allerdings sind damit auch einige Nachteile verbunden. Die getrennte Lagerung der Zusatzstoffe verlangt zusätzliche Silos und Dosiereinrichtungen sowie zusätzliche Kontrollen. Manche Zusatzstoffe neigen bei längerer Lagerung zur Knollenbildung. Die Herstellung eines homogenen Frischbetons kann eine längere Mischdauer erfordern Normative Anforderungen Im Gegensatz zu den Zusatzmitteln gibt es für jeden einzelnen Betonzusatzstoff eigene Produktnormen. Zusatzstoffe für Zemente sind in der Zementnorm SN EN geregelt. In Tabelle wird ein Überblick über die wichtigsten Betonzusatzstoffe und die dazugehörigen Produktnormen gegeben. Die Norm SN EN unterscheidet zwei Typen von Betonzusatzstoffen. Zusatzstoffe des Typs I beinhalten inerte Stoffe (z. B. Gesteinsmehl und Pigmente), die keine chemische Bindung eingehen. Als Zusatzstoff des Typs II gelten chemisch reaktive Stoffe wie Flugasche, Silikastaub, Hüttensandmehl und Puzzolane. Die Anrechenbarkeit ist nur für Zusatzstoffe des Typs II, d. h. für Flugasche, Silikastaub, Hüttensandmehl und ausgewählte Puzzolane, wie z. B. Hydrolith F200, zulässig. Dabei wird ein Teil des Zusatzstoffes auf den Mindestzementgehalt Z min und den maximalen w/z-wert mit Hilfe des sogenannten k-wert Ansatzes für Beton nach Eigenschaften angerechnet. Die Höhe des k-wertes und die maximal anrechenbare Menge hängt vom jeweiligen Zusatzstoff und dessen chemischer Reaktivität ab. Hüttensandmehl SN EN Hüttensandmehl zur Verwendung in Beton, Mörtel und Einpressmörtel Teil 1: Definition, Anforderungen und Konformitätskriterien Zusatzstoff Typ II k-wert [-] Flugasche nach SN EN Silikastaub nach SN EN Hüttensand nach SN EN SN EN Hüttensandmehl zur Verwendung in Beton, Mörtel und Einpressmörtel Teil 2: Konformitätsbewertung Puzzolan DIN Trass Pigmente SN EN Pigmente zum Einfärben von zement- und/oder kalkgebundenen Baustoffen Anforderungen und Prüfverfahren Fasern SN EN Fasern für Beton Teil 1: Stahlfasern Begriffe, Festlegungen und Konformität SN EN Zementart Fasern für Beton Teil 1: Polymerfasern Begriffe, Festlegungen und Konformität Festigkeitsklasse des Zementes Expositionsklassen/ Betonsorten CEM I 32,5; 42,5; 52,5 alle 0.33 Z Höchstmengen max. ZS [kg/m 3 ] CEM II/A-LL 42,5; 52,5 XC1 bis XC4, XD1, XF Z min CEM II/B-M (T-LL) a) 42,5 XC1; XC2; XC4; XD1; XF1 XC Z min 0.15 Z min CEM II/B-M (S-T) a) 42,5 R alle 0.25 Z min CEM I 32,5; 42,5; 52,5 alle 0.11 Z CEM II/A-LL 32,5; 42,5; 52,5 alle 0.11 Z 0.5 CEM I 32,5; 42,5; 52,5 Betonsorten D bis G, ausnahmsweise auch Betonsorten A bis C 0.50 Z min Tab : Anrechenbarkeit von Zusatzstoffen Typ II gemäss Norm SN EN CEM I 32,5; 42,5; 52,5 alle, ausser XF2 und XF Z min Abb : Spezifische Oberflächen von Zusatzstoffen im Vergleich zu Zement. Silikastaub Pigmente Kalksteinmehl Flugasche Gebrannter Schiefer Puzzolan Hüttensandmehl CEM I 52,5 CEM I 42,5 CEM I 32,5 Hydrolith F200 b) 0.4 CEM II/A-LL 42,5; 52,5 XC1 bis XC4; XD1; XF Z min CEM II/B-M (T-LL) a) 42,5 XC1 bis XC4; XD1; XF Z min a) Die Zulassung beschränkt sich auf die Zemente Optimo 4, resp. Robusto 4R-S, in Kombination mit der Flugasche von Holcim (Nachweis gemäss Anhang L). b) Für AAR-beständigen Beton darf Hydrolith F200 nur eingesetzt werden, wenn der Nachweis gemäss Merkblatt SIA 2042 erbracht ist. Z = effektiver Zementgehalt [kg/m 3 ] Z min = Mindestzementgehalt [kg/m 3 ] (siehe Kapitel 2.3.2) max. ZS = max. Höchstmenge am Zusatzstoff [kg/m 3 ] spezifische Oberfläche [cm 2 /g] 38 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 39

21 1. Die Ausgangsstoffe zur Betonherstellung 1.5 Zusatzstoffe Beispiel 3: Ist der k-wert = 1.0, wie z. B. bei Silikastaub, entspricht 1 Teil Silkastaub = 1 Teil Zement. Ist der k-wert = 0.4, wie z. B. bei Flugasche, entspricht 1 Teil Flugasche = 0.4 Teilen Zement. In Tabelle ist eine Zusammenstellung der wichtigsten Informationen k-wert, Zementart, Festigkeitsklasse des Zementes, Expositionsklasse / Betonsorte und maximale Höchstmenge des Zusatzstoffes für die in der Schweiz zugelassenen Zusatzstoffe des Typs II aufgeführt. Nicht aufgeführte Kombinationen von Zusatzstoffen und Zementen sind nicht erlaubt, können aber mit dem Nachweisverfahren gemäss nationalem Anhang L der Norm SN EN zugelassen werden. Für die Anwendung des k-wert Ansatzes müssen die folgenden vier Bedingungen erfüllt sein. Die Bedingung 3 gilt nur bei einer gemeinsamen Verwendung von mehreren reaktiven Zusatzstoffen. Bedingung 1: Berechnung des zulässigen Mindestzementgehaltes bei der Zugabe von reaktiven Zusatzstoffen Z min, ZS : Flugasche oder Hydrolith F200 Z min, ZS Z min Silikastaub Z min, ZS Z min k S Hüttensand (k (Z min 200)) 1 KG (100 KG) Beispiel 4: Kombination von Zement CEM II/B-M (T-LL) und Flugasche, Expositionsklasse XC1 (Mindestzementgehalt Z min = 280 kg/m 3 ) Z min, FA Z min (k (Z min 200)) = 280 (0.4 ( )) = 248 kg/m 3 Beispiel 5: Kombination von Zement CEM II/A-LL und Flugasche, Kalksteingehalt (KG) gemäss Herstellerangaben: 17 M.-% (ohne Herstellerangaben: KG = 20 M.-%), Expositionsklasse XC1 (Mindestzementgehalt Z min = 280 kg/m 3 ) KG Z min, FA Z min k (Z min 200) 1 = 100 KG ( ) 1 = kg/m 3 Bedingung 2: Berechnung der maximal anrechenbaren Höchstmenge an reaktivem Zusatzstoff max. ZS anrech. (siehe Tab ). Beispiel 6: Kombination von Zement CEM II/B-M (T-LL) und Flugasche (FA), Expositionsklasse XC1 (Mindestzementgehalt Z min = 280 kg/m 3 ) max. FA = 0.25 Z min = = 70 kg/m 3 Teilbedingung 3a: max. Flugasche (0.66 Z 3 S) oder max. Hydrolith F200 (0.66 Z 3 S) Teilbedingung 3b: max. Silikastaub 0.11 Z Bedingung 4: Berechnung des äquivalenten w/z eq -Wertes: W W max. = max. w/z Z eq (Z min,zs + k max. ZS anrech. ) Gl In der Stoffraumrechnung können dabei 2 Fälle unterschieden werden, um den max. w/z-wert ohne Anrechnung von Zusatzstoffen einzuhalten. Fall 1: Verringern des Wassergehaltes Fall 2: Erhöhen des zulässigen Mindestzementgehaltes bei Anrechnung von Zusatzstoffen Z min, ZS auf den Mindestzementgehalt Z min ohne Anrechnung von Zusatzstoffen Beispiel 7: Kombination von Zement CEM II/B-M (T-LL) und Flugasche (FA), Expositionsklasse XC1 (Z min = 280 kg/m 3, max. w/z = 0.65) Z eq = Z min,fa + k max. FA anrech. = = 276 kg/m 3 W/ Z eq = w/276 max. w/z = 0.65 W = 179 kg/m Eigenschaften von inerten Zusatzstoffen Gesteinsmehle Gesteinsmehle wie Kalkstein- und Quarzmehl verbessern aufgrund ihrer geringen Korngrösse, ihrer Kornzusammensetzung und Kornform den Kornaufbau des Betons im Mehlkornbereich. Sie werden zugesetzt, um beispielsweise bei Gesteinskörnungen mit mehlkornarmen Sanden einen für die Verarbeitbarkeit und für ein geschlossenes Gefüge ausreichenden Mehlkornanteil einzubringen. Durch den Füllereffekt vermindern sie die Porosität. Kalkstein- und Quarzmehl sollten auf ihre Eignung für den vorgesehenen Zweck geprüft werden. Pigmente Anorganische Pigmente werden zum Einfärben von Beton und Mörtel verwendet. Den hohen Anforderungen bezüglich Beständigkeit und Korngrössenverteilung genügen praktisch nur Oxid- und Spinellpigmente. Pigmente haben keine chemische Wirkung im Beton. Wegen ihres meist hohen Wasserbedarfs bedingen sie einen höheren Wasserzementwert, sofern dieser Effekt nicht durch den Einsatz eines Fliessmittels kompensiert wird. Die Pigmentdosierung, meist wenige Prozente bezogen auf die Zementmasse, richtet sich nach der gewünschten Farbintensität und wird vom Lieferanten angegeben. Auch die besten Farbpigmente verhindern nicht, dass die Farbe des Betons mit der Zeit etwas stumpfer wird. Farbbetone können sowohl mit Grau- und Weisszementen hergestellt werden (siehe Kapitel 7.1). Reste von gefärbtem Beton müssen sorgfältig aus Mischer, Transportfahrzeug und Umschlaggeräten entfernt werden, um die nachfolgenden Betonchargen nicht zu verunreinigen. Abb : Eingefärbter Beton durch Pigmente. Z min, ZS Z min (k (Z min 200)) Z min, ZS Mindestzementgehalt bei Zugabe von Zusatz stoffen [kg/m 3 ] Z min Mindestzementgehalt gemäss SN EN für die Beton sorten A bis G und P1 bis P4 [kg/m 3 ] k k-wert des Zusatzstoffes (Typ II) [-] KG Kalksteingehalt des verwendeten CEM II/A-LL [M.-%] S Zugabemenge von Silikastaub [kg/m 3 ] Gl max. FA anrech. = k max. FA = = 28 kg/m 3 Bedingung 3: Berechnung der maximalen Höchstmenge an reaktiven Zusatzstoffen max. ZS bei gemeinsamer Verwendung von mehreren reaktiven Zusatzstoffen. Damit soll eine ausreichende Alkalität der Porenlösung bei Stahl- und Spannbeton sichergestellt werden. Die Berechnung gilt nur für die Zementarten CEM I und CEM II/A-LL und für die Kombinationen mit Flugasche und Silikastaub sowie Hydrolith F200 und Silikastaub. Eine gemeinsame Verwendung von Silikastaub und Hüttensand oder Silikastaub und anderen puzzolanischen Zusatzstoffen ist nicht zulässig. Es müssen 2 Teilbedingungen (3a und 3b) erfüllt werden. Fall 1: Der Wassergehalt muss bei der Anwendung des k-wert Ansatzes von 182 kg/m 3 auf 179 kg/m 3 verringert werden. Fall 2: Der zulässige Mindestzementgehalt Z min,zs muss bei der Anwendung des k-wert Ansatzes von 276 kg/m 3 auf den Mindestzementgehalt Z min von 280 kg/m 3 erhöht werden. Werden gemeinsam mehrere reaktive Zusatzstoffe eingesetzt, dürfen sie unter Berücksichtigung ihres k-wertes (Z eq = Z min,zs + Σ k i max. ZS anrech. ) zusammen auf den Zementgehalt angerechnet werden. 40 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 41

22 1. Die Ausgangsstoffe zur Betonherstellung 1.5 Zusatzstoffe Eigenschaften von chemisch reaktiven Zusatzstoffen Chemische Zusammensetzung Das Dreistoffdiagramm CaO / SiO 2 / Al 2 O 3 + Fe 2 O 3 zeigt die stoffliche Verwandtschaft der chemisch reaktiven Zusatzstoffe gebrannter Schiefer, Flugasche, Silikastaub und Hüttensand zum Portlandzementklinker (Abb ). Zusatzstoffe mit einem hohen CaO-Anteil reagieren verstärkt hydraulisch, während solche mit einem hohen SiO 2 -Anteil puzzolanisch reagieren. Die Reaktionsmechanismen von Portlandzementklinker und den chemisch reaktiven Zusatzstoffen werden in Kapitel 2.1 näher beschrieben. Portlandzementklinker hat beispielsweise die Zusammensetzung 68 M.-% CaO / 24 M.-% SiO 2 / 8 M.-% Al 2 O 3 + Fe 2 O 3. Aus dem Diagramm ist ersichtlich, dass gebrannter Schiefer und Hüttensand am nächsten zum Portlandzement klinker liegen und dementsprechend eine hydraulische bzw. latent hydraulische Reaktion zu erwarten ist. Gebrannter Schiefer Ölschiefer ist ein Sedimentgestein, das brennbare organische Anteile (sogenanntes Kerogen) enthält (Abb ). Aufgrund dieser Anteile verbrennt Ölschiefer bei rund 50 CaO [M.-%] AI 2 O 3 + Fe 2 O 3 [M.-%] SiO 2 [M.-%] C eigenständig (d. h. ohne jegliche Energiezufuhr). Dabei entsteht feinkörniger, gebrannter, Schiefer, der aus verschiedenen mineralischen Bestandteilen zusammengesetzt ist, die chemisch reaktive Eigenschaften besitzen. Die beim Brennprozess frei werdende Energie kann zur Stromproduktion genutzt werden. Gebrannter Schiefer wird nur als Zementzusatzstoff eingesetzt. Zemente mit gemahlenem, gebranntem Schiefer verhalten sich ähnlich wie Zemente mit Puzzolanen. Sie zeichnen sich durch eine moderate Wärmeentwicklung, ein ausgezeichnetes Wasserrückhaltevermögen, gute Grünstandfestigkeit und erhöhte Dauerhaftigkeit aus. Abb : Ölschiefer-Steinbruch in der Nähe von Rottweil/D. Flugasche Die Flugasche fällt als Nebenprodukt in thermischen Kraftwerken an. Ihre Qualität hängt von der verwendeten Steinkohle, von der Anlagentechnik des Kraftwerks sowie seiner Betriebsweise ab. Die hohe Feinheit der Flugaschen und deren überwiegend kugelige Kornform (Abb ), bewirken eine Verbesserung der Verarbeitbarkeit des Frischbetons. Flugaschen sind typisch puzzolanische Zusatzstoffe. Entsprechend der langsamen Reaktion zeigen Flugaschebetone reduzierte Wärme- und Festigkeitsentwicklungen. Dies bedingt längere Einschalzeiten und eine verlängerte Nachbehandlungsdauer. Dagegen führt die auch über das übliche Prüfalter von 28 Tagen andauernde puzzolanische Reaktion zu einer deutlichen Nacherhärtung und zusätzlichen Gefügeverdichtung. Abb : Charakteristische, kugelige Kornform von Flugasche (Rasterelektronenmikroskopaufnahme). Silikastaub, auch Kieselsäurestaub oder Microsilica genannt, entwickelt wegen seiner extrem hohen Feinheit und seines hohen Kieselsäuregehalts eine sehr grosse chemische Reaktivität. Silikastaub ist schwierig zu dosieren und homogen im Frischbeton zu verteilen. Deshalb wird empfohlen, Portlandsilikastaubzement einzusetzen. Mit Silikastaub können folgende Betoneigenschaften beeinflusst werden: gesteigerte Kohäsion, damit erhöhte Klebrigkeit und stark erhöhtes Wasserrückhaltevermögen im Frischbeton, damit keine Entmischung Verminderung des Rückpralls beim Spritzbeton erhebliche Verminderung der Betonporosität, damit eine wesentliche Verbesserung der Dauerhaftigkeit: erhöhter Chloridwiderstand, erhöhter Widerstand gegen Frost-, Frosttaumittel- und Sulfatangriff sowie gegen andere chemisch aggressive Stoffe bedeutende Erhöhung der Betonfestigkeit, dadurch gesteigerte Betonsprödigkeit Hüttensandmehl Granulierte Hochofenschlacke fällt als Nebenprodukt bei der Roheisenherstellung (Verhüttung) an. Getrocknet und mindestens auf die Feinheit von Zement gemahlen, wird die Hochofenschlacke als sogenanntes Hüttensandmehl eingesetzt. Hochofenzemente (CEM III) zeigen eine verlangsamte Erhärtung und erfordern eine deutliche Verlängerung der Ausschalfristen und der Nachbehandlungsdauer. Vorteilhafte Eigenschaften von Betonen mit Hüttensandmehl sind: dichteres Zementsteingefüge, damit deutlich erhöhter Widerstand des Betons gegenüber dem Angriff von Sulfaten, Chloriden, AAR und anderen aggressiven Stoffen geringe Hydratationswärme und langsamere Wärmeabgabe, daher Einsatz bei massigen Betonbauteilen und bei hoher Umgebungstemperatur verminderte Ausblühungsgefahr (bei hohem Hüttensandgehalt) verminderte Anfangsfestigkeit und höheres Nacherhärtungspotential nach 28 Tagen Puzzolane Natürliche Puzzolane wie z. B. Trass unterscheiden sich je nach Herkunft stark in ihren Eigenschaften. Sie sind Stoffe vulkanischen Ursprungs oder Sedimentgesteine mit bestimmter chemisch-mineralogischer Zusammensetzung. Natürliche, getemperte Puzzolane sind thermisch aktivierte Stoffe vulkanischen Ursprungs (Phonolite), Tone oder Sedimentgestein. Puzzolane haben in der Regel hohe Alkaliengehalte. In Verbindung mit potentiell alkalireaktiver Gesteinskörnung ist der Alkali-Aggregat-Reaktion (AAR) besondere Beachtung zu schenken (siehe Kapitel 6.4 und 8.8). Silikastaub (D) Gebrannter Schiefer (T) Kieselsäurereiche Steinkohlenflugasche (V) natürliches und natürliches, getempertes Puzzolan (P, Q) Hüttensand (granulierte Hochofenschlacke) (S) Portlandzementklinker (K) CaO Calciumoxid SiO 2 Siliciumdioxid AI 2 O 3 Aluminiumoxid Fe 2 O 3 Eisenoxid Abb : Dreistoffdiagramm CaO / SiO 2 / Al 2 O 3 + Fe 2 O 3 für chemisch reaktive Zusatz stoffe und Portlandzementklinker. Silikastaub Bei Silikastaub handelt es sich um reaktionsfähige SiO 2 - haltige Stäube, die bei der Herstellung von Silizium- Legierungen bei hohen Temperaturen entstehen und in Staubfiltern abgeschieden werden. Sie werden pulverförmig oder in wässriger Suspension (Slurry) geliefert und aufgrund ihres relativ hohen Preises nur in Spezialfällen eingesetzt, wie z. B. für Spritzbeton, hochfesten Beton oder Ultrahochleistungsbeton. Abb : Granulierung von Hochofenschlacke durch Einleitung von glühender, flüssiger Hochofenschlacke in einen Wasserstrahl. 42 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 43

23 1. Die Ausgangsstoffe zur Betonherstellung 1.5 Zusatzstoffe Eigenschaften von Fasern Einleitung Fasern unterschiedlicher Materialien und Art können dem Beton als Zusatzstoffe zugegeben werden. Es wird zwischen Fasern für tragende (Bewehrung) und andere Zwecke (z. B. Brandwiderstand, Grünstandfestigkeit) unterschieden. In der Regel werden vereinzelte Kurzfasern verwendet. Es existieren aber auch Faserbündel aus Langfasern (Garne, Rovings), die zu sogenannten Gelegen verarbeitet und als textile Bewehrung eingesetzt werden. Die Fasern werden dem Frischbeton untergemischt und sind im Idealfall homogen im Beton verteilt und räumlich gleichmässig ausgerichtet. Sie entfalten ihre Wirkung lokal. Fasern für tragende Zwecke (Bewehrung) übertragen im Rissquerschnitt Kräfte, die vor der Rissbildung der Beton übertragen hat. Je nach Faserdosierung, -material und -form lassen sich so die Rissbildung und die Rissweiten kontrollieren. Beton erhält durch die Faserzugabe eine Nachrissfestigkeit und eine grössere Verformbarkeit. Wichtige Voraussetzung für die Wirksamkeit von Fasern für tragende Zwecke ist ihr Verbund mit dem umgebenden Zementstein. Fasern erlangen ihren Verbund durch die Oberflächenbeschaffenheit und die mechanische Verankerung durch spezielle Formen. Die Fasern müssen so dimensioniert werden, dass sie ausgezogen werden und nicht reissen. Neben dem Verbund und der Dosierung spielt auch die Faserschlankheit das Verhältnis von Länge zu Durchmesser eine wichtige Rolle. Je schlanker die Fasern sind, umso grösser ist ihre Wirksamkeit. Die Verarbeitbarkeit des Frischbetons nimmt mit höherer Dosierung, grösserer Faserschlankheit und zunehmender Abweichung der Faserform von der Geraden ab (siehe Kapitel 5.3). In Tabelle wird eine Übersicht über die wichtigsten Fasermaterialien und ihre charakteristischen Eigenschaften gegeben. Fasermaterialien Stahlfasern Aufgrund der hohen Zugfestigkeit und des hohen E-Moduls im Vergleich zum Beton sind Stahlfasern besonders für tragende Zwecke geeignet. Die mechanischen Eigenschaften hängen neben dem Ausgangsmaterial stark vom Herstellungsprozess ab. Stahlfasern können gezogen, gefräst, gespant, geschnitten, gestanzt oder aus Schmelzgut hergestellt werden. Die höchste Zugfestigkeit wird bei Fasern aus gezogenem Stahldraht erzielt und beträgt bis zu 2600 N/mm 2. Diese Fasern werden typischer weise für Ultrahochleistungs-Faserbetone verwendet (siehe Kapitel 7.3). Fasern anderer Herstellungsart weisen deutlich geringere Festigkeiten auf. Stahlfasern können mit verschiedenen anderen Metallen beschichtet werden, um die Korrosionsneigung zu verringern. Der Verbund von Stahlfasern im Zementstein kann durch Endhaken, Ver dickungen oder Profilierungen verbessert werden. Typische Dosierungen liegen im Bereich von kg/m 3, in Ausnahmefällen bis 120 kg/m 3, bei Ultrahochleis tungsfaserbeton bis zu 400 kg/m 3 (5 Vol.-%). Polymerfasern (Kunststofffasern) Die verschiedenen Kunststofffasertypen unterscheiden sich durch ihre chemische Zusammensetzung und die daraus resultierenden Eigenschaften. Mit wenigen Ausnahmen (Tab ) weisen die meisten Kunststofffasern einen im Vergleich zu Stahlfasern niedrigen E-Modul auf. Der Einsatz erfolgt vor allem für folgende Zwecke: Reduktion der Rissbildung infolge Frühschwindens Reduktion des Rückpralls bei Spritzbeton Erhöhung des Brandwiderstands von hochfesten und ultrahochfesten Betonen Erhöhung der Grünstandfestigkeit von Frischbeton Verbesserung des Wasserrückhaltevermögens Kunststofffasern nach SN EN werden unter - teilt in: Klasse Ia: Mikrokunststofffasern mit einem Durch messer < 0.30 mm, als Monofilamente ausgebildet Klasse Ib: Mikrokunststofffasern mit einem Durchmesser < 0.30 mm, fibriliert Klasse II: Makrokunststofffasern mit einem Durch messer > 0.30 mm Polypropylenfasern (PP-Fasern) werden häufig zur Vermeidung von Frühschwindrissen eingesetzt. Sie steigern das Wasserrückhaltevermögen und können im noch jungen Zementstein die Rissbildung verhindern bzw. Rissbreiten begrenzen. Ihr Schmelzpunkt liegt bei ca. 170 C. Sie werden daher auch zur Erhöhung des Brandwiderstands von hochfesten und ultrahochfesten Betonen verwendet. Durch das Schmelzen der Fasern entsteht ein vernetztes Porensystem im Beton, durch welches der Dampfdruck, der durch die Verdampfung von Wasser im Beton entsteht, reduziert wird. Damit können Abplatzungen verhindert werden. PP-Fasern werden in einer Menge von 0.5 bis 4 kg/m 3 dosiert. Polyethylenfasern (PE-Fasern) sind aufgrund ihrer guten mechanischen Eigenschaften als Bewehrung sehr geeignet, sind aber relativ teuer und kommen daher nur wenig zur Anwendung. Polyvinylalkoholfasern (PVA-Fasern) wurden ursprünglich als Ersatz für Asbestfasern verwendet. Aufgrund ihrer guten mechanischen Eigenschaften eignen sie sich zur Steigerung der Biegezugfestigkeit von Beton. Glasfasern Glasfasern erreichen hohe Zugfestigkeiten ( N/mm 2 ) und einen E-Modul, der denjenigen des Betons um das 2 bis 3-fache übertrifft. Herkömmliches Glas ist im alkalischen Milieu des Betons nicht resistent. Durch die Zugabe von Zirkoniumdioxid und eine spezielle Beschichtung der Glasfasern lässt sich die Alkaliresistenz deutlich steigern, so dass Glasfasern auch über längere Zeiträume ihre Eigenschaften im Beton behalten. Die Empfindlichkeit von Glas gegenüber Beschädigungen der Oberfläche, wie sie beim Mischen entstehen können, reduziert die theoretisch sehr hohe Festigkeit. Je nach Anwendungszweck werden dem Beton 0.5 bis 15.0 kg/m 3 Glasfasern zugegeben. Kohlenstofffasern (Carbonfasern) Fasern aus Kohlenstoff sind bezüglich Zugfestigkeit und E-Modul Stahlfasern sehr ähnlich bzw. überlegen. Die Herstellung ist aufwendig und kostenintensiv. Kohlenstofffasern finden zunehmend Anwendung in Form von Faserbündeln aus Langfasern in Gelegen als textile Bewehrungen. Fasermaterial Dichte [kg/dm 3 ] Zugfestigkeit [N/mm 2 ] E-Modul [kn/mm 2 ] Bruchdehnung [ ] Alkali - beständigkeit 1) max. Temperatur [ C] Dicke [µm] Stahlfaser Stahlfaser Stahlfaser Stahl Polypropylen (PP) Polyethylen (PE) Polyvinylalkohol (PVA) AR-Glas Kohlenstoff ) ++ sehr gute Beständigkeit; + gute Beständigkeit. Extrudierte Polypropylenfaser (Makrokunststofffaser) Glasfaser Polypropylenfaser (Mikrokunststofffaser) Tab : Übersicht über Fasermaterialien und ihre charakteristischen Eigenschaften. Abb : Verschiedene Arten von Fasern. 44 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 45

24 Kapitel 2 Beton Grundlagen, Herstellung und Anforderungen 2.1 Betontechnologische Grundlagen Einleitung Hydratation von Zement Gefüge des Zementsteins Mischungsentwurf Betonherstellung Einleitung Qualitätssicherung Normative Anforderungen Einleitung Beton nach Eigenschaften Beton nach Zusammensetzung 74

25 2. Beton Grundlagen, Herstellung und Anforderungen 2. Beton Grundlagen, Herstellung und Anforderungen 2.1 Betontechnologische Grundlagen Abb : Massen- und Volumenanteile der Ausgangsstoffe beim 5-Stoff- Gemisch Beton. 2.1 Betontechnologische Grundlagen Einleitung Beton ist ein Baustoff, der durch Mischen der Ausgangsstoffe Zement, Wasser, grober und feiner Gesteinskörnung, mit oder ohne Zugabe von Zusatzstoffen oder Zusatzmitteln hergestellt wird. Die Variationsmöglichkeiten der Parameter innerhalb des 5-Stoff-Gemisches sind fast unbegrenzt, um sowohl die Frischbeton- als auch die Festbetoneigenschaften gezielt zu beeinflussen. Mengenanteil der Betonkomponenten nach ihrer Masse [M.-%] Zusatzstoff 2.2 Zusatzmittel 0.1 Luft 0 Zement 12.9 Wasser 7.5 Gesteinskörnung Mengenanteil der Betonkomponenten nach ihrem Volumen [Vol.-%] Zement 9.7 Zusatzstoff 2.2 Zusatzmittel 0.2 Gesteinskörnung Hydratation von Zement Bei der Hydratation werden die Klinkermineralien des Zementes C 3 S, C 2 S, C 3 A und C 4 AF in wasserhaltige Verbindungen, die sogenannten Hydratphasen, umgewandelt. Sie bewirken das Erstarren und Erhärten des Zementleims zum Zementstein. Die Entwicklung der Hydrat phasen erfolgen vereinfachend in drei Hydratationsstufen (Abb ). Zu Beginn der I. Hydratationsstufe reagiert das gelöste C 3 A sehr schnell und heftig mit dem Calciumsulfat (Erstarrungsregler). Die entstehenden Calciumaluminatsulfathydrate, vor allem das Trisulfat, auch Ettringit genannt, bilden auf den Oberflächen des Klinkerpartikels kurze, hexagonal säulenförmige Ettringitkristalle. Durch die Bildung dieser dünnen Schicht von Kristallen kommt es nahezu zum Stillstand der Hydratation. Diese ersten Hydratationsprodukte sind noch zu klein um den Raum zwischen den Klinkerpartikeln zu überbrücken. Die Klinkerpartikel können sich immer noch frei bewegen, d. h. der Zementleim ist nur wenig steifer geworden. Das Ansteifen und in Folge das Erstarren des Zementleims beginnt nach etwa 1 bis 3 Stunden, wenn sich erste, noch sehr feine, spitznadelige Calciumsilikathydratkristalle (CSH) auf den Klinkerpartikeln bilden. Dabei behindern sich die wachsenden Kristalle zunehmend und der Zementleim beginnt sich zu verfestigen. In der II. Hydratationsstufe bildet sich das Grundgefüge, bestehend aus CSH-Faserbüscheln, plattigem Calciumhydroxid (Ca(OH) 2 ) und in die Länge wachsenden Ettringitkristallen, aus. Die grösseren Kristalle überbrücken die Räume zwischen den Klinkerpartikeln und verfilzen sich ineinander. Mengen von Calciumhydroxid ab, das zwar keinen Beitrag zur Festigkeit bringt, jedoch infolge seiner hohen alkalischen Wirkung die Bewehrung vor Korrosion schützen kann. Ein hydratisierter Portlandzement (CEM I) enthält nach vollständiger Hydra tation etwa 60 M.-% CSH-Phasen und 30 M.-% Calciumhydroxid. Mengenanteil Trisulfat Minuten Stunden Tage Hydratationszeit Hydratationsstufe I II III Labiles Gefüge plastisch Klinkerpartikel Porenraum Abb : Zeitliche Entwicklung der Hydrat phasen und des Gefüges. Neben der Hydratation des Portlandzementklinkers können die anderen chemisch reaktiven Zementzusatzstoffe jedoch in einem unterschiedlichen Masse auch hydratisieren und festigkeitsbildend sein. Dabei werden folgende Reaktionstypen unterschieden: hydraulisch latent hydraulisch puzzolanisch Labiles Gefüge erstarrt CSH langfaserig Grundgefüge CSH kurzfaserig Ca(OH) 2 C 4 (A,F)H 13 Monosulfat Stabiles Gefüge produkte wie bei der Hydratation von Portlandzementklinker. Puzzolanisch reagierende Stoffe sind gebrannter Schiefer, Flugasche und Silikastaub. Sie reagieren mit dem bei der Hydratation des Zementklinkers frei werdenden Calciumhydroxid zu Calciumsilikat- und Calciumaluminathydraten. Die Hydratation ist ein zeitabhängiger Prozess, der mit zunehmendem Alter zum Stillstand kommt. Ein Mass für den Hydratationsfortschritt ist der sogenannte Hydratationsgrad α, der den Stand der Hydratation zum Zeitpunkt t bezeichnet. Er gibt an, welche Zementmenge bezogen auf den ursprünglichen Zementgehalt bereits reagiert hat. Da der genaue analytische Nachweis sowohl von unhydratisiertem Zement als auch von der Menge an gebildeten Reaktionsprodukten relativ aufwendig ist, wird der Hydratationsgrad gewöhnlich über Ersatzgrössen, wie z. B. die Festigkeitsentwicklung oder die Menge an chemisch gebundenem Wasser, ermittelt. Der Hydratationsgrad ist im Wesentlichen abhängig von der Zeit, dem Feuchtigkeitsgehalt des Zementsteins, der Temperatur und der chemischen Zusammensetzung und Mahlfeinheit des Zementes. Der Hydratationsgrad α ist zu Beginn 0, erreicht nach dem Erstarrungsende ca % und beträgt bei vollständiger Hydratation theoretisch 100 % (α = 1). Eine vollständige Hydratation wird wenn überhaupt möglich erst nach Jahren erreicht. Luft 1.5 Wasser Beton erhält seine Eigenschaften im Wesentlichen durch die chemische Reaktion des Zementes mit dem Wasser, der sogenannten Hydratation des Zementes. Die Reaktionsgeschwindigkeit eines Zementes entscheidet über das Abbinde- und Erhärtungsverhalten des Betons. Die fortschreitende Verfestigung des Gefüges, die eigentliche Erhärtung des Zementsteins, findet in der III. Hydrata tionsstufe statt. Es bilden sich überwiegend feine, kurze Nadeln und Fasern. Der Raum wird verfüllt und die Verfestigung nimmt stetig zu aber mit reduzierter Hydratationsgeschwindigkeit. Während für die Verarbeitung und das Erstarren das C 3 A das bestimmende Klinkermineral ist, sind das rasch reagierende C 3 S und das langsam reagierende C 2 S entscheidend für den Aufbau eines stabilen Gefüges und die Festigkeitsentwicklung. C 3 S und C 2 S spalten auch grosse Gebrannter Schiefer ist ein weiteres, hydraulisches Bindemittel neben Portlandzementklinker. Diese Bindemittel erhärten sowohl an Luft als auch unter Wasser und sind danach dauerhaft wasserunlöslich. Latent hydraulische Stoffe wie Hüttensandmehl benötigen für die chemische Reaktion einen Anreger. Die bei der Klinkerhydratation frei werdenden Alkalien (NaOH, KOH, Ca(OH) 2 ) ermöglichen die alkalische Anregung. Für die sulfatische Anregung wird der dem Zement zugegebene Gips verwendet. Im Wesentlichen entstehen bei der latent hydraulischen Reaktion die gleichen Reaktions- 48 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 49

26 2. Beton Grundlagen, Herstellung und Anforderungen 2.1 Betontechnologische Grundlagen Abb : Schematische Darstellung der Kapillarporenbildung bei verschiedenen w/z-werten Gefüge des Zementsteins Von besonderer Bedeutung für die mechanischen Eigenschaften und die Dauerhaftigkeit des Betons ist das durch die Hydratation des Zementes entstehende Gefüge. Nach dem Mischen von Wasser und Zement sind die noch nicht hydratisierten Zementpartikel von einer dünnen Wasserschicht umgeben, deren Dicke mit steigendem Wassergehalt zunimmt. Mit fortschreitender Hydratation wachsen die Hydratationsprodukte in die zunächst mit Wasser eingenommenen Zwischenräume. Zement kann chemisch eine Wassermenge von ca. 25 % und physikalisch von rund 15 %, gesamthaft ca. 40 % seiner Masse binden, was einem sogenannten Wasser zementwert (w/z-wert) von 0.40 entspricht (siehe Kapitel 2.1.4). Bei diesem w/z-wert füllen die Hydratationsprodukte die Räume zwischen den Zementpartikeln nahezu vollständig aus. Das physikalisch gebundene Wasser füllt die Gelporen (Porenradien zwischen 10 9 bis 10 8 m) aus. Bei w/z- Werten unter 0.40 reicht das beim Mischen des Betons vorhandene Wasser nicht aus, um den Zement vollständig zu hydratisieren, und es verbleiben nicht hydratisierte Zementpartikel. Wasser Zementpartikel Hydratation Wasserzementwert w/z = 0.20 Hydratation Wasserzementwert w/z = 0.40 Hydratation Wasserzementwert w/z = 0.60 Bei w/z-werten über 0.40 enthält der Zementstein Hohlräume, die zunächst wassergefüllt sind, sich bei der Aus trocknung des Betons aber entleeren können. Diese Hohlräume bilden ein System sogenannter Kapillarporen mit Porenradien zwischen etwa 10 8 bis 10 5 m. Ab w/z- Werten von ca wird das Kapillarporensystem immer durchlässiger (Abb ). Die Gelporosität ist vom w/z-wert weitgehend unabhängig und kann daher durch betontechnologische Massnahmen nicht beeinflusst werden. In Abbildung ist die volumetrische Zusammensetzung des Zementsteins in Abhängigkeit vom w/z-wert dargestellt. Die Zementsteineigenschaften werden zwar wesentlich durch die Kapillarporosität und deren Abhängigkeit vom w/z-wert und vom Hydratationsgrad bestimmt, aber auch durch die Packungsdichte der Zementpartikel. Eine optimale Kornzusammensetzung eines reinen Portlandzementes führt zu einer mittleren Packungsdichte (siehe Kapitel 1.1.2). Die Packungsdichte kann noch weiter verbessert werden, wenn die zwischen den Zementpartikeln verbleibenden Zwischenräume (Zwickel) durch Zementzusatzstoffe ausgefüllt werden. In Abbildung sind Packungsdichten von zwei Zementen schematisch dargestellt linkes Bild: Portlandzement mit mittlerer Packungsdichte und rechtes Bild: Portlandkompositzement mit hoher Packungsdichte. Je feiner die Korngrössen der einzelnen Hauptbestandteile des Zementes aufeinander abgestimmt sind, desto höher ist die Packungsdichte. Diese rein physikalische Wirkung beruht auf dem sogenannten Fillereffekt, wodurch Wasser durch Körner mit genügend feiner Korngrösse (z. B. Kalksteinmehl und feingemahlener, gebrannter Schiefer) aus den Zwickeln verdrängt wird. Mittlere Packungsdichte von Portlandzement Zementklinker Kalkstein feingemahlener, gebrannter Schiefer Hohe Packungsdichte von Portlandkompositzement Abb : Packungsdichte von Zement mit unterschiedlichen Hauptbestand teilen. Werden chemisch reaktive Zementzusatzstoffe eingesetzt, verstärken noch zusätzliche Hydratationsprodukte den Fillereffekt. Im Beton gibt es diese Zwickel nicht nur im Zementstein, sondern auch in der Übergangszone zwischen einem Gesteinskorn und dem Zementstein. Die Übergangszone, auch Kontaktzone genannt, besitzt in der Regel eine höhere Porosität als der reine Zementstein und weist bei Normalbeton eine Dicke von ca. 50 μm auf (Abb ). 1 mm Abb : Mikroskopische Aufnahme der Übergangszone zwischen einem Gesteinskorn und dem Zementstein. Die Ursachen für die Ausbildung einer porösen Kontaktzone sind neben Randeffekten auch eine geringe Packungsdichte und Wasserabsonderungen des Zementleims, die sich als Film auf den Gesteinskörnern anlagern. Neben der höheren Porosität der Kontaktzone liegt eine veränderte, gröbere Form der Calciumhydroxidkristalle vor, so dass sich eine weniger stark ausgeprägte Kristallverzahnung als im übrigen Zementstein ergibt. Beim Einsatz von chemisch reaktiven Zementzusatzstoffen kann, je nach Reaktivität und Feinheit, eine grosse Verbesserung der Kontaktzone herbeigeführt werden, da sich sowohl ihre Dicke als auch der Anteil an groben Calciumhydroxidkristallen verringern lässt und damit eine höhere Dichtigkeit erreicht wird. In Abbildung ist die Übergangszone von Gesteinskörnern mit unterschiedlichen Zementarten schematisch dargestellt. Abb : Volumetrische Zusammensetzung des Zementsteins in Abhängigkeit vom w/z-wert (Hydratationsgrad 100 % (α = 1)). Volumen [%] unhydratisierter Zement Luftporen Zementgel (Feststoff) Gelporen Kapillarporen Kapillarporen (Wasser) Gesteinskorn Gesteinskorn Gesteinskorn Hydratationsprodukte des Zementklinkers Kalkstein Hydratationsprodukte des gebrannten Schiefers Hydratationsprodukte des Hüttensandes Abb : Übergangszone von Gesteinskörnern mit unterschiedlichen Zementarten Wasserzementwert [-] Portlandzement Portlandkompositzement mit gebranntem Schiefer und Kalkstein: CEM II/B-M (T-LL) Portlandkompositzement mit gebranntem Schiefer und Hüttensand: CEM II/B-M (S-T) 50 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 51

27 2. Beton Grundlagen, Herstellung und Anforderungen 2.1 Betontechnologische Grundlagen Abb : Wirkung des Zementleims im Beton Mischungsentwurf Allgemeines Im Mischungsentwurf werden die Anforderungen an die Frisch- und Festbetoneigenschaften berücksichtigt. Die Anforderungen an den Frischbeton werden im Wesentlichen durch die Herstell-, Transport- und Verarbeitungsbedingungen definiert, z. B. Verarbeitbarkeit, Pumpbarkeit oder Betonieren bei extremer Witterung. Als Festbetoneigenschaften werden hauptsächlich mechanische Eigenschaften und Dauerhaftigkeitskriterien gefordert. Zementleimvolumen Der Leim wird im einfachsten Fall aus Zement, Wasser und Luft sowie gegebenenfalls Zusatzstoffen gebildet. Der Zementleim füllt die Hohlräume zwischen den Gesteinskörnern auf und erst wenn diese vollständig aufgefüllt sind, kann eine Leimschicht die Körner umhüllen, die eine schmierende Wirkung des Zementleims ermöglicht (Abb ). Dabei wird angenommen, dass die Zementleimschicht um alle Partikel gleich dick ist. Die Konsistenz des Frischbetons wird mit zunehmender Dicke der Zementleimschicht weicher. füllend schmierend Zementleimvolumen [l/m 3 ] runde Gesteinskörnung gebrochene Gesteinskörnung D max [mm] Abb : Notwendiges Zementleim volumen in Abhängigkeit des Grösstkorns der Gesteinskörnung für vibrierten Beton. Die Korngrössenverteilung eines Zementes beeinflusst ebenfalls den Zementleimbedarf. Je breiter die Korngrössenverteilung eines Zementes, desto höher ist die Packungsdichte und desto geringer ist der Zementleimbedarf (siehe Kapitel 2.1.3). Tiefer Wasserzementwert hoch wenig schwach Festigkeit Wassersaugen Schwinden Hoher Wasserzementwert niedrig viel stark keine Abplatzung Abplatzung Betonwürfeldruckfestigkeit im Alter von 28 Tagen [N/mm²] w/z-wert Abb : Zusammenhang zwischen der Betonwürfeldruckfestigkeit nach 28 Tagen und den w/z-wert für den Zement Optimo 4 bei normgerechter Herstellung und Lagerung. Beispiel 9: Abschätzen der Betonwürfeldruckfestigkeit nach 28 Tagen w/z = 0.63 f c, cube = 38 N/mm 2 Zementleim Gesteinskörnung Konstruktionsbeton mit guten Verarbeitungs- und Verdichtungseigenschaften sollte ein Mindestleimvolumen von rund 280 l/m 3 bei einem Grösstkorn von 32 mm aufweisen. Mit abnehmendem Grösstkorn der Gesteinskörnung wird der Zementleimbedarf höher. Der erforderliche Zementleimgehalt ist bei gebrochener Gesteinskörnung aufgrund der grösseren, spezifischen Oberfläche der Gesteinskörnung grösser als mit runder Gesteinskörnung (Abb ). Wasserzementwert (w/z-wert) Ein zentraler Kennwert des Betons ist der w/z-wert, der aus dem Massenverhältnis vom wirksamen Wassergehalt zu Zementgehalt, bezogen auf 1 m 3 verdichteten Frischbeton, berechnet wird: Wasserzementwert w/z = Gl Masse des Wassers w Masse des Zements z Beispiel 8: Berechnung des Wasserzementwertes Wirksamer Wassergehalt: 150 l/m 3 = 150 kg/m 3 Zementgehalt: 300 kg/m 3 w/z = 150 / 300 = 0.50 Werden neben dem Zement noch reaktive Zusatzstoffe eingesetzt, wird ein äquivalenter Wasserzementwert (w/z) eq ermittelt (siehe Kapitel 1.5.2). Grundsätzlich gilt, dass sich alle Festbetoneigenschaften mit zunehmendem w/z-wert zum Teil sehr stark verschlechtern. In Abbildung sind qualitativ die Auswirkungen eines tiefen und eines hohen w/z-wertes für einige ausgewählte Eigenschaften schematisch dargestellt. dunklere Oberfläche Beständigkeit Farbe hellere Oberfläche Abb : Auswirkungen eines tiefen und eines hohen w/z-wertes für einige ausgewählte Festbeton eigenschaften. Für die gewünschte Betondruckfestigkeit kann der erforderliche Wasserzementwert über die Zementdruckfestigkeit abgeschätzt werden. Bei der Zugabe von Zusatzmitteln und -stoffen können sich deutliche Veränderungen der Abhängigkeiten zwischen w/z-wert, Zementdruckfestigkeit und Betondruckfestigkeit ergeben. In Abbildung wird am Beispiel des Zementes CEM II/B-M (T-LL) 42,5 N (Optimo 4) der Zusammenhang von Betonwürfeldruckfestigkeit nach 28 Tagen und dem w/z-wert graphisch dargestellt Stoffraumrechnung Das wichtigstes Hilfsmittel für den Mischungsentwurf ist die sogenannte Stoffraumrechnung. Mit ihrer Hilfe wird der funktionale Zusammenhang zwischen Volumen und Masse eines Mehrstoffsystems hergestellt. Für Beton lautet die zugehörige Stoff raumgleichung für einen Kubikmeter verdichteten Beton: z f w g 1000 = p [dm 3 /m 3 ] Gl ρ z ρ f ρ w ρ g z Zementgehalt [kg/m 3 ] f Zusatzstoffgehalt [kg/m 3 ] w Wassergehalt [kg/m 3 ] g Gehalt an Gesteinskörnung [kg/m 3 ] p Porenvolumen [dm 3 /m 3 ] ρ z Dichte des Zementes [kg/dm 3 ] oder [l/m 3 ], [mg/l] ρ f Dichte des Zusatzstoffes [kg/dm 3 ] oder [l/m 3 ], [mg/l] ρ w Dichte des Wassers [kg/dm 3 ] oder [l/m 3 ], [mg/l] ρ g Dichte der Gesteinskörnung [kg/dm 3 ] oder [l/m 3 ], [mg/l] Nachfolgend sind verschiedene Beispiele für Stoffraumrechnungen aufgeführt. 52 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 53

28 2. Beton Grundlagen, Herstellung und Anforderungen 2.1 Betontechnologische Grundlagen Arbeitsschritte: 1 Übernehmen des Mindestzementgehaltes (ohne Anrechnung von reaktiven Zusatzstoffen) gemäss der vorgegebenen Expositionsklasse XC1 Z min = 280 kg/m 3 2 Übernehmen des maximalen w/z-wertes (ohne Anrechnung von reaktiven Zusatzstoffen) gemäss der vorgegebenen Expositionsklasse XC1, Vorhaltemass von 0.02 für max. w/z-wert berücksichtigen und w/z-wert korrigieren, max. w/z = = Ermitteln der Betondruckfestigkeit mit Hilfe der Abbildung : Wählen von Zementart und Zementfestigkeitsklasse, Eingangsgrösse: max. w/z-wert aus Arbeits - schritt 2, Ausgangsgrösse: Betonwürfeldruck festigkeit nach 28 Tagen f c, cube = 38 N/mm 2 4 Vergleich der Mindestdruckfestigkeit aus Arbeitsschritt 3 mit jener der vorgegebenen Druckfestigkeitsklasse C20/25 Mischungsberechnung mit trockener Gesteinskörnung Zement Beispiel 10: Mischungsberechnung mit oberflächentrockener Gesteinskörnung Der Beton soll die folgenden Anforderungen erfüllen: Expositionsklasse XC1 Druckfestigkeitsklasse C20/25 Grösstkorn der Gesteinskörnung von D max = 32 mm Chloridgehaltsklasse Cl 0.1 Konsistenzklasse F3 Zusätzliche Anforderung: Zementart: CEM II/B-M (T-LL) 42,5 N CEM II/B-M (T-LL) (Optimo 4) Dichte [kg/dm 3 ] Anteil [M.-%] Menge [kg/m 3 ] Volumen [l/m 3 ] Sand 0/ Kies 4/ Kies 8/ Kies 16/ Gesamtgehalt der Gesteinskörnung 1935 Wasser Luft 15.0 w/z-wert 0.63 Gesteinskörnungsvolumen V g Rohdichte und Volumen des Frischbetons Bedingung: Betonwürfeldruckfestigkeit aus Arbeitsschritt 3 Druckfestigkeitsklasse min f ck, cube + f mit Vorhaltemass f = 8 N/mm 2 38 N/mm = 33 N/mm 2, Bedingung erfüllt 6 Berechnen des Wassergehaltes aus korrigiertem w/z-wert aus Arbeitsschritt 2 mit Gleichung W = = 176 kg/m 3 7 Berechnen des Wasseranspruchs der Gesteinskörnung: Wählen einer Sieblinie mit dem vorgegebenen Grösstkorn der Gesteinskörnung von 32 mm (siehe Beispiel 2) 8 Berechnen der Körnungsziffer k für die gewählte Sieblinie (siehe Beispiel 2) k = Ermitteln des Wasseranspruchs der Gesteinskörnung mit Körnungsziffer k und gewählter Konsistenzklasse F3 (Konsistenzbereich weich), siehe Abbildung W = 170 l/m 3 entspricht 170 kg/m 3 10 Vergleich des Wasseranspruchs der Gesteinskörnung mit dem Wassergehalt aus dem korrigierten w/z-wert aus Arbeitsschritt 6 11 Bedingung: Wasseranspruch der Gesteinskörnung aus Arbeitsschritt 9 Wassergehalt aus korrigiertem w/z-wert aus Arbeitsschritt 6, ansonsten muss ein Fliessmittel zur Reduktion des Wasseranspruchs der Gesteinskörnung eingesetzt werden 170 kg/m kg/m 3, Bedingung erfüllt 12 Festlegen des Luftgehaltes entsprechend der vorgegebenen Konsistenzklasse F3: p = 1.5 Vol.-% entspricht 15 l/m 3 13 Festlegen der Dichten der Ausgangsstoffe: Zement: 3.03 kg/dm 3 Gesteinskörnung: 2.68 kg/dm 3 Wasser: 1.0 kg/dm 3 14 Bestimmen des Volumens der Gesteins körnung mit Gleichung V g = l/m 3 15 Aufteilen des Volumens der Gesteins körnung auf die Volumina der gewählten Korngruppen: Sand 0/4: l/m 3 Kies 4/8: 72.3 l/m 3 Kies 8/16: l/m 3 Kies 16/32: l/m 3 16 Berechnen der Massen der gewählten Korngruppen und des Gesamtgehalts der Gesteinskörnung: Sand 0/4: 813 kg/m 3 Kies 4/8: 193 kg/m 3 Kies 8/16: 387 kg/m 3 Kies 16/32: 542 kg/m 3 Gesamtgehalt: 1935 kg/m 3 17 Berechnen der Rohdichte des Frischbetons: ρ FB = 2391 kg/m 3 Beispiel 11: Mischungsberechnung mit feuchter Gesteinskörnung Der Beton soll die Anforderungen wie im Beispiel 10 erfüllen. Arbeitsschritte: Die Schritte 1 bis 17 werden wie in Beispiel 10 durchgeführt. Neu wird von feuchter Gesteinskörnung ausge gangen, d. h. der Wasseranteil der Gesteinskörnung muss berücksichtigt werden. Dabei sind die zusätzlichen Arbeitsschritte 18 bis 20 durchzuführen. Das Vorhaltemass für den vorgegebenen max. w/z- Wert sollte zwischen w/z = 0.02 bis 0.05 gewählt werden, je nach Häufigkeit und Genauigkeit der Feuchtemessung der Gesteinskörnung. Wird ein grösseres Vorhaltemass als 0.02 gewählt, sind die Arbeitsschritt ab 2 anzupassen. Die Kernfeuchte, üblicherweise 8 15 l/m 3, wird in der Mischungsberechnung nicht berücksichtigt, da ihr Volumen in der Gesteinskörnung enthalten ist. Nur bei der Prüfung des w/z-wertes mittels Darrprobe wird sie abgezogen (siehe Kapitel 3.3.4). Mischungsberechnung mit feuchter Gesteinskörnung Zement Gesteinskörnung Gesteinskörnung CEMII/B-M (T-LL) (Optimo 4) Dichte [kg/dm 3 ] Anteil [M.-%] Menge [kg/m 3 ] 18 Bestimmen der Oberflächenfeuchte je Korngruppe. Oberflächenfeuchte für: Sand 0/4: 5.0 M.-% Kies 4/8: 3.0 M.-% Kies 8/16: 1.5 M.-% Kies 16/32: 1.0 M.-% Summe Oberflächenfeuchte: 58 l/m 3 entspricht 58 kg/m 3 19 Erhöhen der Menge der einzelnen Korngruppen um die Menge der Oberflächenfeuchte der Gesteins körnung: Sand 0/4: = 854 kg/m 3 Kies 4/8: = 199 kg/m 3 Kies 8/16: = 393 kg/m 3 Kies 16/32: = 547 kg/m 3 20 Zugabewasser aus Wasseranspruch der Gesteinskörnung um Oberflächenfeuchte der Gesteinskörnung reduzieren W = = 118 kg/m 3 Volumen [l/m 3 ] Feuchte der Gesteins körnung [M.-%] Wasseranteil [kg/m 3 ] Dosier menge feuchte Gesteinskörnung [kg/m 3 ] Sand 0/ Kies 4/ Kies 8/ Kies 16/ Gesamtgehalt der Gesteinskörnung Gesamtfeuchtigkeitsgehalt der Gesteins körnung 58 Verbleibende Menge Zugabewasser [kg/m 3 ] Wasser Luft 15.0 w/z-wert 0.63 Gesteinskörnungsvolumen V g Rohdichte und Volumen des Frischbetons Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 55

29 2. Beton Grundlagen, Herstellung und Anforderungen 2.1 Betontechnologische Grundlagen 14 Bestimmen des Restwasservolumens auf der Basis des Gesamtwassergehaltes: 176 kg/m kg/dm 3 = l/m 3 15 Bestimmung des Volumens der Gesteinskörnung unter Berücksichtigung des erhöhten Wasservolumens infolge Restwasserverwendung mit Gleichung V g = l/m Die Arbeitsschritte 16 bis 19 sind analog Beispiel 11 durchzuführen Mischungsberechnung mit feuchter Gesteinskörnung und Restwasserverwendung Zement Gesteins - körnung CEMII/B-M (T-LL) (Optimo 4) Dichte [kg/dm 3 ] Anteil [M.-%] Menge [kg/m 3 ] Volumen [l/m 3 ] Feuchte der Gesteins - körnung [M.-%] 20 Berechnung der Feinanteile aus dem Restwasservolumen und der Restwasserdichte nach Gl W f = [(1 1.07)/(1 2.1)] 2.1 = l/m kg/dm 3 = kg/m 3 Ergibt die zu dosierende Wassermenge von 176 kg/m kg/m 3 = 201 kg/m 3 bei trockener Gesteinskörnung 21 Zugabewasser um die Oberflächenfeuchte der Gesteinskörnung reduzieren W = = 145 kg/m 3 22 Menge der Korngruppe Sand 0/4 um die Menge Feststoff im Restwasser verringern (siehe Beispiel 1) g Sand = = kg/m 3 Die geringfügigen Abweichungen, die sich bei dem hier vorgegebenen Beispiel bei der Korrektur der Feinanteile durch nachträglichen Abzug der zu dosierenden Sandmenge auf die Stoffraum rechnung ergeben, können in der Regel vernächlässigt werden Wasseranteil [l/m 3 ] Dosier menge feuchte Ge - steins körnung [kg/m 3 ] Sandkorrektur Restwasser [kg/m 3 ] Sand 0/ Kies 4/ Kies 8/ Kies 16/ Gesamtgehalt der Gesteins körnung Gesamtfeuchtigkeitsgehalt der Gesteins körnung Beispiel 12: Mischungsberechnung mit feuchter Gesteinskörnung und Restwasserverwendung Der Beton soll die Anforderungen wie in Beispiel 10 erfüllen. Arbeitsschritte: Die Schritte 1 bis 13 werden wie in Beispiel 10 durchgeführt. Neu ist das Zugabewasser zu 100 % Recyclingwasser mit einer Dichte 1.07 kg/dm 3 zu ersetzen (Schritte 14 und 15). Anschliessend sind die Arbeitsschritte 16 bis 22 durchzuführen, wobei die Arbeitsschritte 16 bis 19 analog Beispiel 11 gewählt werden. Ausgangsmenge Frischwasser Verbleibende Menge Zugabewasser [kg/m 3 ] Wassermenge Restwasser Luft 15.0 w/z-wert 0.63 Gesteinskörnungsvolumen V g Rohdichte und Volumen des Frischbetons Die Kernfeuchte wird bei der Stoffraumrechnung nicht berücksichtigt, da sie sich ja im Inneren der Gesteinskörnung befindet. Die geringfügigen Abweichungen, die sich bei dem hier vorgegebenen Beispiel bei der Korrektur der Feinanteile durch nachträglichen Abzug der zu dosierenden Sandmenge auf die Stoffraumrechnung ergeben, können in der Regel vernächlässigt werden. 1a 1b 1c 1d Beispiel 13: Mischungsberechnung mit trockener Gesteinskörnung und Anrechnung von Flugasche Der Beton soll die Anforderungen wie in Beispiel 10 erfüllen. Es wird eine Substitution von Zement mit Flugasche durchgeführt (k-wert Ansatz). Als Zugabewasser wird Trinkwasser eingesetzt. Arbeitsschritte: Der Arbeitsschritt 1 wird in vier Teilschritte aufgeteilt. Veränderte Teilschritte gegenüber dem Beispiel 10 gibt es bei den Arbeitsschritten 6 und 11 bis 14. Berechnen des Mindestzementgehaltes mit Anrechnung von Flugasche gemäss der vorgegebenen Expositionsklasse XC1 (siehe Beispiel 4) Z min,fa = 248 kg/m 3 Berechnen der maximalen Höchstmenge an Flugasche (siehe Beispiel 6) max. FA = 70 kg/m 3 Berechnen der maximal anrechenbaren Höchstmenge an Flugasche (siehe Beispiel 6) max. FA anrech = 28 kg/m 3 Berechnen der äquivalenten Zementgehaltes (siehe Beispiel 7) Z eq = = 276 kg/m 3 2 Der maximale äquivalente w/z-wert ist durch die Wassergehaltsreduktion gleich dem maximalen w/z-werts ohne Anrechnung von reaktiven Zu satz stoffen gemäss der vorgegebenen Expositions klasse XC1, Vorhaltemass von 0.02 für max. w/z-wert berücksichtigen und entsprechend w/z-wert korrigieren, max. w/z eq = = Die Arbeitsschritte 3 bis 5 sind analog Beispiel 10 durchzuführen 6 Berechnen des Wassergehaltes aus korri giertem max. äquivalenten w/z-wert aus Arbeits - schritt 2 und dem äquivalenten Zementgehalt Z eq aus Arbeitsschritt 1d W = = 174 kg/m Die Arbeitsschritte 7 bis 10 sind analog Beispiel 10 durchzuführen 11 Bedingung: Wasseranspruch der Gesteinskörnung aus Arbeitsschritt 9 Wassergehalt aus korrigiertem w/z-wert aus Arbeitsschritt 6, ansonsten muss ein Fliessmittel zur Reduktion des Wasseranspruchs der Gesteinskörnung eingesetzt werden 170 kg/m kg/m 3, Bedingung erfüllt Die Arbeitsschritte 12 bis 13 sind analog Beispiel 10 durchzuführen. Dichte von Flugasche: 2.24 kg/dm 3 14 Bestimmen des Volumens der Gesteins körnung mit Gleichung V g = 728 l/m Die Arbeitsschritte 15 bis 17 sind analog Beispiel 10 durchzuführen Mischungsberechnung mit trockener Gesteinskörnung und Zusatzstoffen Zement CEMII/B-M (T-LL) (Optimo 4) Abb : Schiffsverladung von Flugasche. Dichte [kg/dm 3 ] Anteil [%] Menge [kg/m 3 ] Volumen [l/m 3 ] Zusatzstoffe Flugasche Gesteinskörnung Sand 0/ Kies 4/ Kies 8/ Kies 16/ Gesamtgehalt der Gesteinskörnung 1871 Wasser Luft 15 w/z eq -Wert 0.63 Gesteinskörnungsvolumen V g 698 Rohdichte und Volumen des Frischbetons Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 57

30 2. Beton Grundlagen, Herstellung und Anforderungen 2. Beton Grundlagen, Herstellung und Anforderungen 2.2 Betonherstellung 2.2 Betonherstellung Einleitung Betone können nach dem Ort der Herstellung und nach dem Ort der Verwendung unterteilt werden. Transportbeton ist Beton, der in frischem Zustand durch eine Person oder Stelle geliefert wird, die nicht der Verwender ist. Transportbeton ist auch ein vom Verwender ausserhalb der Baustelle hergestellter Beton sowie auf der Baustelle nicht vom Verwender hergestellter Beton. Er wird im Transportbetonwerk hergestellt, in geeigneten Fahrzeugen zur Baustelle befördert und dort einbaufertig übergeben. In der Schweiz ist mehr als 80 % des jährlich hergestellten Betonvolumens Transportbeton. In Abbildung ist die Betonherstellung in einem Transportbetonwerk schematisch dargestellt. Die Gesteinskörnung gelangt per Bahn, Lastwagen oder Schiff zum Betonwerk und wird im Freien oder in Silos, getrennt nach Korngruppen, gelagert. Die Zemente und Zusatzstoffe werden in Silos und die flüssigen Betonzusatzmittel in Tanks gelagert. Das Wasser wird aus dem öffentlichen Netz bezogen oder mit Recyclingwasser ergänzt bzw. ersetzt. Die verschiedenen Ausgangsstoffe werden über eine Wägeeinrichtung dosiert und dem Mischer zugeführt. Ein Computer steuert den Dosiervorgang, bei dem die verschiedenen Ausgangsstoffe gemäss der Rezeptur zusammengemischt werden. Der Betonmischer hat ein Fassungsvermögen bis zu 3 m 3. Nach der sorgfältigen Mischung unter Einhaltung der vorgegebenen Trocken- und Nassmischzeiten wird der Frischbeton direkt in das Transportfahrzeug entleert und zum Verwendungsort gebracht. Die Vorteile von Transportbeton sind: auf der Baustelle muss keine eigene Betonanlage eingerichtet werden hohe und gleichbleibende Betonqualität ein dichtes Netz von Transportbetonwerken sorgt dafür, dass die Fahrmischer keine langen Strecken fahren müssen und gleichzeitig grosse Betoneinbaumengen liefern können auf der Baustelle nicht benötigte Restmengen werden in Frischbetonrecycling-Anlagen aufbereitet und dem Materialkreislauf wieder zugeführt. Baustellenbeton, im schweizerischen Sprachgebrauch auch Ortsbeton genannt, ist Beton, der direkt auf der Baustelle in einer zertifizierten mobilen Anlage hergestellt wird. Dies ist in der Schweiz nur bei Baustellen mit grossem Betonbedarf oder bei langen Anfahrtswegen üblich. Eine Baustelleinrichtung benötigt einen grossen Platzbedarf für Silos und Mischer, ermöglicht aber eine flexible und bedarfsgerechte Betonherstellung. Betonwerke, die verschiedene, aber immer wiederkehrende Betonrezepturen benutzen, führen diese gewöhnlich in einem Betonsortenverzeichnis auf Qualitätssicherung Die Qualitätssicherung von Beton in einem Herstellwerk beinhaltet wesentliche Elemente: Ausgangsstoffe Produktionsanlage Frischbetoneigenschaft Konsistenz Rohdichte w/z-wert Luftgehalt Zementgehalt Chloridgehalt Festbetoneigenschaft Druckfestigkeit Wasserleitfähigkeit Karbonatisierungswiderstand Chloridwiderstand Frost-Tausalzwiderstand Die Kontrolle muss Herstellung, Transport sowie Auslieferungsort und Auslieferung umfassen. Die Konformität oder Nichtkonformität wird anhand von festgelegten Konformitätskriterien beurteilt. Nichtkonformität kann zu Massnahmen im Herstellwerk oder auf der Baustelle führen. Erstprüfungen Erstprüfungen müssen vor der Verwendung eines Betons bzw. einer Betonfamilie durchgeführt werden und dienen der Überprüfung, ob mit einem Mischungsentwurf die angestrebten Frisch- und Festbetoneigenschaften erzielt werden können. Bei wesentlichen Änderungen der Ausgangsstoffe oder Anforderungen sind erneut Erstprüfungen erforderlich. Abb : Schematische Darstellung der Betonherstellung in einem Transportbetonwerk. 1 Anlieferung Gesteinskörner werden per Bahn, Lastwagen oder Schiff angeliefert 2 Zwischenlagerung Die einzelnen Korngruppen werden getrennt gelagert 3 Förderband Befördern der Gesteinskörnung in die Silos 4 Zementsilos Lagern der Zemente in separaten Silos 5 Kies- und Sandsilos Aufbewahren der Korngruppen in getrennten Silos 6 Mischer Vermischen der einzelnen Ausgangsstoffe des Betons in definierter Reihenfolge 7 Wasser und Zusatzmittel Zuführen von Wasser und Zusatzmittel 8 Logistik Transport des Frischbetons zum Verwendungsort Werkseigene Produktionskontrolle (Eigenüberwachung) Überwachung der Produktionskontrolle durch eine anerkannte Überwachungsstelle (Fremdüberwachung) Zertifizierung der Konformität durch eine anerkannte Zertifizierungsstelle Werkseigene Produktionskontrolle (WPK) Die Anforderungen an die werkseigene Produktionskontrolle sind in der Norm SN EN beschrieben. Der Hersteller muss ein Handbuch für die Produktionskontrolle erstellen, dass alle zwei Jahre von ihm auf ihre Wirksamkeit geprüft wird. Die Konformitätskontrolle ist Teil der werkseigenen Produktionskontrolle. Im Rahmen der Konformitätskontrolle wird geprüft, ob der Beton den festgelegten Anforderungen nach der Norm SN EN entspricht. Die Konformitätskontrolle wird nach einem festgelegten Probenahme- und Prüfplan durchgeführt. Prüfmethoden, Prüffrequenz und Beurteilungskriterien sind in der Norm SN EN vorgegeben. Betonhersteller, die nicht gemäss Anhang C der Norm SN EN zertifiziert sind, dürfen keine Betone nach der Norm SN EN anbieten. Die Konformitäts kon t- rolle ist für folgende Parameter vorgegeben: Falls Langzeiterfahrungen vorhanden oder andere Erfahrungswerte und Prüfergebnisse verfügbar sind, kann auf Erstprüfungen verzichtet werden. In diesen Fällen ist einer der folgenden Nachweise zu erbringen: a) Nachweis aufgrund von vergleichbaren Betonen oder Betonfamilien, die seit mindestens 3 Jahren oder mit einem Volumen 3000 m 3 hergestellt worden sind. Die Vergleichbarkeit ist zu begründen und mit entsprechenden Daten zu dokumentieren. b) Nachweis aufgrund von Interpolationen bereits hergestellter Betonzusammensetzungen mit dem gleichem Zement und Zusatzstoff. c) Nachweis aufgrund von Extrapolationen der Druckfestigkeit um nicht mehr als 5 N/mm 2. d) Nachweis aufgrund von erstgeprüften Betonen, die den gesamten Variationsbereich der neuen Betonzusammensetzung abdecken. Der Variationsbereich darf aber nicht grösser sein als: Zement: ±15 kg/m 3 Zusatzstoff Flugasche oder Hydrolith F200: ±15 kg/m 3 Zusatzmittel: zwischen 0 und zulässiger Höchstdosierung 8 58 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 59

31 2. Beton Grundlagen, Herstellung und Anforderungen 2.2 Betonherstellung Bei den Verfahren nach b) oder c) sind die Dauerhaftigkeitseigenschaften für die Betonsorten C G stichprobenartig nachzuweisen. Für die Durchführung von Erstprüfungen ist zudem zu beachten: Frischbetontemperatur zwischen C mindestens drei Prüfkörper aus jeweils drei Chargen für eine einzelne Betonsorte mindestens drei Prüfkörper aus jeweils mehreren Chargen, die auf die verschiedenen Betonsorten einer Betonfamilie verteilt sind Druckfestigkeitsergebnis einer Erstprüfung: Mittelwert aller, aus den drei Prüfkörpern gemittelten Festigkeiten der Chargen empfohlenes Vorhaltemass für Druckfestigkeiten entspricht ca. der doppelten Standardabweichung (SD), die zu erwarten wäre, d. h. ca N/mm 2 das Vorgehen und das Vorhaltemass bei Erstprüfungen von anderen Betoneigenschaften ist vom Hersteller zu bestimmen Betonfamilien Die einzelnen Betonsorten dürfen in sogenannten Betonfamilien zusammengefasst werden, um den Prüfaufwand zu reduzieren. Der Hersteller muss entweder einen Zusammenhang der Betoneigenschaften zwischen den einzelnen Betonsorten nachweisen oder er benutzt die Bedingungen für die Bildung von Betonfamilien gemäss Norm SN EN (Tab ). Der Hersteller muss die Probenahme auf alle Betonsorten innerhalb einer Betonfamilie so verteilen, dass jede Betonsorte mindestens einmal pro Überwachungszeitraum geprüft wird. Als Referenzbeton gilt der am häufigsten hergestellte Beton oder ein Beton im Mittelfeld der Familie. Um nachweisen zu können, dass eine Betonsorte in eine Betonfamilie gehört, werden die Einzelwerte der Druckfestigkeiten der einzelnen Betonsorten umgerechnet und mit der charakteristischen Druckfestigkeit des Referenzbetons verglichen. Diese Umrechnung basiert auf der Abweichung des Einzelergebnisses von dem durch den Hersteller festgelegten Zielwert der Druckfestigkeit einer Betonsorte und einer Umrechnung anhand des w/z- Wertes. Damit können Betone unterschiedlicher Druckfestigkeitsklassen in einer Betonfamilie zusammengefasst werden, z. B. C20/25, C25/30, C30/37. Die Betonsorten der Betonfamilien BF 1 bis BF 3 können mit der Betonfamilie BF 4 bzw. BF 5 kombiniert werden, vorausgesetzt, alle Betone einer Kombination weisen den gleichen w/z-wert auf (Tab ). Verfahren für den statistischen Konformitätsnachweis Eine Konformitätskontrolle betrifft die Druckfestigkeit. Dabei wird angenommen, dass die Standard abwei chung beim Herstellprozess konstant bleibt und zur Beur teilung der Stichproben herangezogen werden kann. Die Prüfhäufigkeit ist in einer Anfangsphase (Ersther stellung) höher als während der darauf folgenden sogenannten stetigen Herstellung. Diese wird erreicht, sobald 35 Ergebnisse vorliegen und die absoluten Anforder ungen an einzelne Prüfergebnisse und Mittelwerte erfüllt sind. Für die folgenden Nachweis perioden während der stetigen Herstellung muss als Beurteilungskriterium die Standardabweichung jeweils festgelegt werden. Bei den übrigen Betoneigenschaften wird die Konformität mit einem anderen statistischen Verfahren nachgewiesen (Attributverfahren). Eine Betonsorte erfüllt dann die Anforderungen, wenn die Prüfergebnisse innerhalb der Toleranzen um einen Zielwert oder innerhalb der Klassengrenzen liegen. Eine bestimmte Anzahl der Prüfergebnisse darf zwar ausserhalb dieser Grenzwerte liegen, muss aber innerhalb eines erweiterten Bereiches bleiben, der durch die sogenannten Grenzabweichungen begrenzt ist. Die erlaubte Anzahl abweichender Ergebnisse steigt mit der Anzahl Prüfungen und ist in der Norm SN EN vorgegeben. Für Konsistenzprüfungen gelten andere Anzahlen als bei den übrigen Frisch- und Festbetonprüfungen. Mit Ausnahme der Konsistenzprüfungen darf erst ab 13 Prüfungen ein einziges Prüfergebnis im Bereich der Grenzabweichungen liegen. Bei den Konsistenzmessungen ist z. B. ein einzelnes Ergebnis im Bereich der Grenzabweichungen ab 3 Prüfungen zulässig. Alle Prüfergebnisse ausserhalb der Grenzabweichungen sind nicht konform. In dem Fall erfüllt die Betonsorte die Anforderungen der Norm nicht (Abb ). Konformitätsnachweis für eine Eigenschaftsklasse Anwendung: Konsistenz, Rohdichte von Leichtbeton nicht konform Konformitätsgrenze Untergrenze Beispiel Konsistenzklasse Verdichtungsmass C2: Konformitätsnachweis für einen Zielwert Anwendung: Konsistenz, Rohdichte von Leichtbeton nicht konform Konformitätsgrenze Beispiel Rohdichte Leichtbeton 1850kg/m 3 : Obergrenze Grenzabweichung 1) Klasse Grenzabweichung 1) Untergrenze Zielwert Grenzabweichung 1) Toleranz Toleranz Grenzabweichung 1) kg/m 3 100kg/m kg/m kg/m 3 Konformitätsgrenze 1720kg/m kg/m kg/m kg/m kg/m 3 Konformitätsnachweis für eine Eigenschaft mit einem Mindestwert und Toleranzbereich Anwendung: Luftporengehalt nicht konform Konformitätsgrenze Mindestwert Beispiel Luftporengehalt, Mindestwert 2.0 Vol.-%: Obergrenze Obergrenze Grenzabweichung 1) Toleranz Grenzabweichung 1) 1.28 Konformitätsgrenze Konformitätsgrenze nicht konform nicht konform nicht konform Abb : Konformitätsnachweis nach dem Attributverfahren für alle Betoneigenschaften ausser Druck- und Spaltzugfestigkeit. 0.5 Vol.-% Vol.-% Vol.-% Tab : Vorgaben für die Bildung von Betonfamilien gemäss Norm SN EN Prüfung Betonfamilie (BF) Wasserleitfähigkeit 1 Vorgaben für die Bildung einer Betonfamilie Zementart w/z-wert Zugabe von Luftporenbildner 0.60 Nein 1.5 Vol.-% 2.0 Vol.-% 1) Eine gewisse Anzahl Prüfergebnisse darf innerhalb der Grenz abweichungen liegen. 6.0 Vol.-% 7.0 Vol.-% Karbonatisierungswiderstand Chloridwiderstand 2 3 Alle zugelassenen Zementarten sind möglich Nein Nein Frost-Tausalzwiderstand Nein Frost-Tausalzwiderstand Ja 60 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 61

32 2. Beton Grundlagen, Herstellung und Anforderungen 2.2 Betonherstellung Konformitätsnachweis für eine Eigenschaft mit oberem Grenzwert Anwendung: Chloridwiderstand, Frosttausalzwiderstand, Karbonatisierungswiderstand, Wasserleit fähigkeit, w/z-wert 2.3 Normative Anforderungen Grenzwert Konformitätsgrenze keine Beschränkung Grenzabweichung 1) nicht konform Beispiel Chloridwiderstand D CI : Beispiel w/z-wert: m 2 /s m 2 /s m 2 /s Einleitung Die normativen Anforderungen an Beton sind in der Norm SN EN geregelt. Dabei ist entweder ein Beton nach Eigenschaften oder ein Beton nach Zusammensetzung festzulegen. Je nach Art der Festlegung ändern sich die Verantwortlichkeiten der am Bau beteiligten Parteien (Tab ). Nachweise sind Aufgabe des Verfassers. Bei Beton nach Zusammensetzung muss das Betonwerk keine Erstprüfung durchführen. Der Konformitätsnachweis bezieht sich nur auf die Einhaltung der vorgegebenen Betonzusammensetzung Beton nach Eigenschaften Konformitätsnachweis für eine Eigenschaft mit unterem Grenzwert Anwendung: Zementgehalt, Rohdichte von Schwerbeton nicht konform Konformitätsgrenze Grenzabweichung 1) Beispiel Rohdichte Schwerbeton, Zielwert 2700kg/m 3 30 kg/m kg/m kg/m 3 Toleranz 100kg/m 3 1) Eine gewisse Anzahl Prüfergebnisse darf innerhalb der Grenz abweichung liegen. Grenzwert 2700kg/m 3 keine Beschränkung Bei Beton nach Eigenschaften garantiert das Betonwerk für die Einhaltung der Leistungsanforderungen und erbringt die erforderlichen Konformitätsnachweise im Rahmen seiner Produktionskontrolle (siehe Kapitel 2.2.2). Diese Konformitätsnachweise gelten für die Betonproduktion des Betonwerkes, jedoch nicht für die erreichte Betonqualität im eingebauten Zustand. Im Prüfplan des Bauunternehmers können deshalb aufgrund des Kontrollplanes des Projektverfassers weitere Frisch- und Festbetonkontrollen an Würfeln oder an Bauwerksproben vorgesehen sein (siehe Kapitel 3.11). Bei Beton nach Zusammensetzung ist der Verfasser (Planer oder Bauunternehmer) verantwortlich, dass die Festlegung die allgemeinen Anforderungen der SN EN erfüllt und die festgelegte Zusammensetzung die beabsichtigte Leistungsfähigkeit erzielt. Entsprechende Beton kann anhand bestimmter Leistungsmerkmale beim Betonwerk Hersteller bestellt werden, sogenannter Beton nach Eigenschaften. Dies ist das in der Praxis übliche, in der Norm SN EN und der Norm SIA 262, auch empfohlene Verfahren. Die Festlegung eines Betons nach Eigenschaften beinhaltet alle relevanten Anforderungen an die Frisch- und Festbetoneigenschaften. Der Verfasser der Festlegung definiert dabei: grundlegende Anforderungen und ggf. zusätzliche Anforderungen Von 5 Kontrollen der Konsistenzklasse C2 dürfen 2 Messergebnisse zwischen 1.25 und 1.28, bzw und 1.11 liegen. Messwerte über 1.28 oder unter 1.06 sind nicht konform. Beim Chloridwiderstand dürfen erst ab 20 Prüfungen 2 Messergebnisse den Grenzwert von m/s 2 überschreiten, müssen aber unterhalb von m/s 2 bleiben, damit die Betonsorte konform ist. liefert wurde, muss der Hersteller entsprechende Massnahmen im Werk treffen und den Unternehmer sowie den Projektverfasser benachrichtigen. Je nach Situation sind Nachprüfungen durch Bohrkernentnahmen am Bauwerk erforderlich, um das Ausmass der Nichtkonformität beurteilen zu können. Verfasser der Festlegung Besteller Betonwerk Beton nach Eigenschaften (Kapitel 2.3.2) Festlegung der Eigenschaften Bestellung von Beton nach Eigenschaften Festlegung der Zusammensetzung Erstprüfungen Konformitätsnachweis der Eigenschaften Beton nach Zusammensetzung (Kapitel 2.3.3) Festlegung der Zusammensetzung und beabsichtigten Eigenschaften Erstprüfung Bestellung der festgelegten Betonzusammensetzung Konformitätsnachweis der Zusammensetzung Tab : Aufteilung der Verantwortung für Beton nach Eigenschaften und Beton nach Zusammensetzung. Massnahmen bei Nichtkonformität Wird bei einem Prüfergebnis die Grenzabweichung nicht eingehalten oder übersteigt es die erlaubte Anzahl von Prüfergebnissen im Bereich der Grenzabweichung, muss der Hersteller das Prüfergebnis nachprüfen. Bestätigt sich, dass ein nichtkonformer Beton versehentlich ausge- Unternehmer Bauherr/ Projektverfasser Annahmeprüfung (visuell, Lieferschein) entmischungsfrei einbauen, vollständig verdichten, Nachbehandlung durchführen Kontrollen (Zertifizierungsnachweis Werk, Stichproben gemäss Kontrollplan) Annahmeprüfung (visuell, Lieferschein) entmischungsfrei einbauen, vollständig verdichten, Nachbehandlung durchführen Konformitätsnachweis der Eigenschaften 62 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 63

33 2. Beton Grundlagen, Herstellung und Anforderungen 2.3 Normative Anforderungen Abb : Grundlegende Anforderungen für die Festlegung von Beton nach Eigenschaften. Tab : Druckfestigkeitsklassen für Normal-, Schwer- (links) sowie Leichtbeton (rechts) gemäss SN EN Grundlegende Anforderungen Die grundlegenden Anforderungen nach der Norm SN EN umfassen die Druckfestigkeitsklasse, die Expositionsklasse, den Nennwert des Grösstkorns der Gesteinskörnung, die Chloridgehaltsklasse und die Konsistenzklasse (Abb ). Für Leichtbeton ist zusätzlich die Rohdichteklasse oder der Zielwert der Rohdichte, für Schwerbeton zusätzlich der Zielwert der Rohdichte festzulegen. Bezug auf SN EN Der Verweis auf die Norm SN EN sichert dem Verwender des Betons zu, dass die allgemeinen Anforderungen an die Eigenschaften, Herstellung und Konformität eingehalten sind. Mit den nationalen Elementen zur Norm SN EN gibt es Unterschiede und Ergänzungen zu den Regelungen in anderen europäischen Ländern. Zudem können die Regelungen der Norm SN EN von anderen europäischen und nationalen Normen (z. B. Betonfertigteile, Spritzbeton, Betonstrassen) abweichen, so dass es unter Umständen notwendig sein kann, die Rangordnung widersprüchlicher Regelungen zu definieren. C25/30 Konsistenzklasse Druckfestig keitsklasse C8/10 C12/15 C16/20 C20/25 C25/30 C30/37 C35/45 C40/50 C45/55 C50/60 C55/67 C60/75 C70/85 C80/95 C90/105 C100/115 XC4, XF1 Normal- und Schwerbeton Char. Min destdruckfestigkeit 1) 2) 3) von Zylindern f ck, cyl [N/mm 2 ] Beton nach SN EN D max = 32 Grösstkorn Char. Min dest - druckfestigkeit 1) 2) 4) von Würfeln f ck, cube [N/mm 2 ] Cl 0,20 Druckfestigkeitsklasse LC8/9 LC12/13 LC16/18 LC20/22 LC25/28 LC30/33 LC35/38 LC40/44 LC45/50 LC50/55 LC55/60 LC60/66 LC70/77 LC80/88 Druckfestigkeitsklasse Der Beton wird anhand seiner charakteristischen Mindestdruckfestigkeit (siehe Kapitel 3.8.1) in verschiedene Druckfestigkeitsklassen eingeteilt. Dabei wird zwischen den Druckfestigkeitsklassen für Normal- und Schwerbeton und für konstruktiven Leichtbeton unterschieden (Tab ). Um die unterschiedlichen Prüfmethoden innerhalb Europas zu berücksichtigen, werden je Druckfestigkeitsklasse die charakteristische Mindestdruckfestigkeit sowohl für den Zylinder als auch für den Würfel angegeben. In der Schweiz wird empfohlen, die charakteristische Druckfestigkeit an Würfeln mit einer Kantenlänge von 150 mm zu bestimmen. Für andere Würfelabmessungen, beispielsweise bei Betonen mit einem Grösstkorn > 32 mm, sind die Druckfestigkeitswerte umzurechnen. Die Art der Umrechnung muss vereinbart werden. C3 Druckfestigkeitsklasse Expositionsklasse(n) Chloridgehaltsklasse Leichtbeton Char. Min destdruckfestigkeit 1) 2) 3) von Zylindern f ck, cyl [N/mm 2 ] Char. Min destdruckfestigkeit 1) 2) 4) von Würfeln f ck, cube [N/mm 2 ] ) Unter Berücksichtigung des 5%-Fraktilwertes. 2) Lagerung der Probe unter Wasser, Prüfalter 28 Tage. 3) Zylinder: 150 mm, h = 300 mm. 4) Würfel: Kantenlänge 150 mm. Häufig verwendete Druckfestigkeitsklassen sind fett gedruckt. Abb : Expositions klassen gemäss SN EN CO 2 (Karbonatisierung) Tausalze (Chloride) Frost und Tausalze Chemikalien Expositionsklasse Für die Festlegungen der Dauerhaftigkeit stehen gemäss SN EN insgesamt fünf Arten von Expositionsklassen zur Verfügung, die jeweils in bis zu vier weitere Klassen unterteilt sind. Eine Expositionsklasse definiert den Grad des Angriffs durch Umwelteinflüsse, dem Beton und Bewehrung ausgesetzt sind ohne Berücksichtigung der Einwirkungen durch Lasten. Nach der Norm SN EN sind die Expositionsklassen nach der Klassenbezeichnung mit einer Abkürzung des Namens des jeweiligen Landes für die Schweiz mit (CH) zu kennzeichnen, z. B. XC4(CH). Im Text der Betonpraxis wird auf diese nationale Kennzeichnung zugunsten einer besseren Lesbarkeit verzichtet. Da die Schweiz ein Binnenland ist, werden die Einwirkungen durch Chloride aus Meerwasser nicht berücksichtigt und nur folgende Expositionsklassen angewendet: Einwirkungen, die eine Korrosion der Bewehrung auslösen: Expositionsklasse XC1 bis XC4 (C für Carbonation): Karbonatisierung Expositionsklasse XD1 bis XD3 (D für Deicing): Chloride aus Taumittel Einwirkungen, die einen Angriff des Betons verursachen: Expositionsklasse XF1 bis XF4 (F für Freezing): Frost mit/ohne Taumitteleinwirkung Expositionsklasse XA1 bis XA3 (A für Chemical Attack): chemischer Angriff Die Expositionsklasse X0 (kein Angriffs- oder Korrosionsrisiko) gilt nur für Betone ohne Bewehrung oder ein gebettetes Metall, bei denen kein Frost- oder chemischer Angriff auftritt, oder für bewehrten Beton in sehr trockenen Innenräumen. XC1 XC4 XD1 XD3 XF1 XF4 XA1 XA3 Angriff auf die Bewehrung Angriff auf den Beton In der Schweiz wird die Expositionsklasse XD2 in zwei Unterklassen (a und b) in Abhängigkeit vom Chloridgehalt aufgeteilt, da für diese keine praktischen Anwendungen vorliegen. Die Anforderungen an die Expositionsklasse XD2a entsprechen den Anforderungen an die Expositionsklasse XD1 und jene der Expositionsklasse XD2b denen der Expositionsklasse XD3. Expositionsklasse XD2a mit einem Chloridgehalt 0.5 g/l ( Süsswasser, z. B. für übliche Schwimmbäder) Expositionsklasse XD2b mit einem Chloridgehalt > 0.5 g/l ( Salzwasser, zeitweise oder dauernd hoher Chloridgehalt, z. B. Solebäder). In der Schweiz gibt es im Vergleich zu Deutschland und Österreich keine Expositionsklasse XM (M für Mechanical Abrasion) für die Beanspruchung durch Verschleiss. Anforderungen an den Verschleiss sind mit einer zusätzlichen Anforderung für den Abriebwiderstand zu formulieren. Die verschiedenen Expositionsklassen mit ihren unterschiedlichen Angriffsgraden sind in Tabelle dargestellt. Für den Beton müssen sämtliche Expositionsklassen, denen ein Bauteil ausgesetzt ist, festgelegt werden. Die verschiedenen Oberflächen eines bestimmten Bauteiles (z. B. Vorder- und Rückseite) können jeweils unterschiedlichen Umwelteinwirkungen ausgesetzt sein. Oft ist ein Bauteil mehreren Expositionsklassen ausgesetzt, die der Verfasser der Festlegung als Kombination von Expositionsklassen definieren muss. Für ein Bauteil massgebend ist der jeweils höchste Angriffsgrad innerhalb einer Expositionsklasse bzw. die Expositionsklasse mit den höchsten Anforderungen an den Beton. 64 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 65

34 2. Beton Grundlagen, Herstellung und Anforderungen 2.3 Normative Anforderungen Angriff auf Klasse Umgebung Anwendungsbeispiele Kein Angriffsrisiko X0 Bewehrungskorrosion, ausgelöst durch die Karbonatisierung des Betons XC1 trocken oder ständig nass unbewehrter Beton oder ohne eingebaute Metallteile, in einer nicht aggressiven Umgebung. Vor Frost geschützte unbewehrte Fund amente, unbewehrte Bauteile in Gebäuden mit sehr geringer Luftfeuchtigkeit. bewehrte Bauteile in Gebäuden mit geringer Luftfeuchtigkeit, ständig in Wasser eingetauchte Bauteile bewehrt, mässig feucht, Frost bewehrt, aussen, Frost bewehrt, innen trocken innen bewehrt, wechselnd nass und trocken, Frost X0 XC1, XC2 XC4, XF1 oder XC4, XF1, XA1 XC4, XF1, XA1 Abb : Expositionsklassen am Beispiel einer Prinzipskizze für den Hochbau. Bewehrung XC2 nass, selten trocken Fundamente XC3 XC4 mässige Feuchte wechselnd nass und trocken Bewehrungskorrosion, ausgelöst durch Chloride XD1 XD2a mässige Feuchte nass, selten trocken, Chloridgehalt 0.5 g/l ( Süsswasser ) Bauteile im Aussenbereich, vor Regen geschützt, offene Hallen, feuchte Räume Bauteile im Aussenbereich, der Witterung ausgesetzt, Pfeiler, Balkone, Fassadenelemente, Brüstungen Betonoberflächen in Strassennähe, die chloridhaltigem Sprühnebel ausgesetzt sind Schwimmbäder bewehrt, wechselnd nass und trocken, Frost Fundament bewehrt innen bewehrt, nass, selten trocken Fundament unbewehrt WU-Wand, chemisch schwach angreifend Fundament bewehrt Wasser XD2b nass, selten trocken, Chloridgehalt > 0.5 g/l ( Salzwasser ) Solebäder, Bauteile in Kontakt mit chloridhaltigen Industrieabwässern XD3 wechselnd nass und trocken Brückenelemente, Parkdecks, Stützmauern, Fahrbahndecken, die chloridhaltigem Spritzwasser ausgesetzt sind Frostangriff mit oder ohne Taumittel XF1 XF2 XF3 mässige Wassersättigung, ohne Taumittel mässige Wassersättigung, mit Taumittel starke Wassersättigung, ohne Taumittel senkrechte Betonoberflächen, die Regen und Frost ausgesetzt ist senkrechte Betonoberflächen, die chloridhaltigem Sprühnebel und Frost ausgesetzt ist horizontale Betonoberflächen, die Regen und Frost ausgesetzt ist (ohne Taumittel) Oberfläche Kastenträger Kastenträger innen XC1, XC3, XF1 XC2, XC4, XD1, XF1 XC2, XC4, XD3, XF2, XF4 XC2, XC4, XD3, XF4 Abb : Expositionsklassen am Beispiel einer Prinzipskizze für den Ingenieurbau. XF4 starke Wassersättigung, mit Taumittel Betonoberflächen, die chloridhaltigem Spritzwasser ausgesetzt ist: Mauerkronen bei Brücken, Fahrbahndecken, Bushaltestellen XA1, XA2, XA3 Chemischer Angriff Beton Lösender Angriff oder Sulfatangriff aus Grundwasser und Böden XA1 XA2 schwacher Angriff mässiger Angriff XA3 starker Angriff a) Bauteile in direktem Kontakt mit dem Erdreich Fundamente, Tunnel, Pfähle Pfeiler Andere chemische Angriffe (nicht in der Norm SN EN aufgeführt) XA1 schwacher Angriff Güllebehälter, Absetzbecken von Kläranlagen XA2 mässiger Angriff Belebungsbecken (Nitrifikation/Denitrifikation) von Kläranlagen, Trinkwasser reservoire mit weichem Wasser, chemische Reinigung von Schwimmbädern Fundament bewehrt XA3 starker Angriff a) Kühltürme, Biogasanlagen, Gärfuttersilos, Kanalisationen a) Prüfung durch Fachleute, ob zusätzliche Schutzmassnahmen möglich und nötig sind. Tab : Expositionsklassen mit ihren unterschiedlichen Angriffsgraden. 66 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 67

35 2. Beton Grundlagen, Herstellung und Anforderungen 2.3 Normative Anforderungen Tab : Anpassung des Mindestzementgehaltes für unterschiedliche Nennwerte des Grösst korns gemäss der Norm SN EN Grösstkorn der Gesteinskörnung D max Zur vollständigen Beschreibung des Betons ist die Festlegung des Grösstkorns erforderlich. Das Grösstkorn ist dabei so zu wählen, wie es die Verarbeitung, die Bewehrung und die Abmessungen des Bauteils zulassen bzw. verlangen. Fragen der Tragsicherheit müssen berücksichtigt werden, da mit abnehmendem Grösstkorn die Tragfähigkeit für Schub und Durchstanzen reduziert wird. In der Regel liegt das Grösstkorn bei 32 mm. Für höhere Bewehrungsdichten oder kleinere Bauteile kann es auf 16 bzw. 8 mm begrenzt werden. Im Falle anderer Nennwerte des Grösstkorns ist der Mindestzementgehalt gemäss der Tabelle anzupassen. Anpassung des Mindest zementgehaltes Nennwert des Grösstkorns [mm] % +10 % +5 % 0 5 % 10 % Klasse des Chloridgehaltes Der Chloridgehalt der Betonzusammensetzung ist, unabhängig von einem möglichen Chlorideintrag von aussen, für Stahl- und Spannbeton zu begrenzen wegen der Gefahr einer chloridinduzierten Bewehrungskorrosion (siehe Kapitel 3.10). Dieser Chloridgehalt wird anhand der Chloridgehalte der Ausgangsstoffe berechnet. Dabei kann entweder von einem höchstzulässigen Gehalt oder von einer Mengenangabe des Herstellers ausgegangen werden. Für Schweizer natürliche Gesteinskörnungen kann gemäss der Norm SN EN mit einem Chloridgehalt < 0.01 M.-% gerechnet werden. Bei rezyklierten Gesteinskörnungen hingegen ist der Chloridgehalt zu bestimmen. Bei Zementen kann i. d. R. von einem Chloridgehalt von 0.05 M.-% aus gegangen werden. Im Allgemeinen kann für normale Schweizer Betone das Einhalten der höchsten Anforderungsklasse des Chloridgehaltes, nämlich jener für Spannbeton, vorausgesetzt werden. Konsistenzklasse Wichtig für die Verarbeitung des Betons ist die Auswahl der geeigneten Konsistenz. Abhängig von der Art der Konsistenzmessung (Ausbreitmass, Verdichtungsmass nach Walz und Setzmass) wurden den einzelnen Messbereichen entsprechende Konsistenzklassen zugeteilt (Tab ). Die in der Schweiz üblichen Prüfmethoden der Konsistenzmessung werden im Kapitel detailliert beschrieben. Für erdfeuchten Beton, der üblicherweise nur gestampft wird, gelten die Konsistenzklassen nicht. In besonderen Fällen darf die Konsistenz auch mit einem Zielwert festgelegt werden. Abb : Verdichten von Beton (plastisch-weiche Konsistenz) mit der Vibriernadel. Ausbreitmass Verdichtungsmass Setzmass Setzfliessmass (nur SCC) Klasse Wert [mm] Klasse Wert [mm] Klasse Wert [mm] Rohdichteklassen Entsprechend seiner ofentrockenen Rohdichte wird Beton als Normalbeton, Leichtbeton oder Schwerbeton definiert: Leichtbeton: 800 kg/m 3 Rohdichte 2000 kg/m 3 Normalbeton: 2000 kg/m 3 < Rohdichte 2600 kg/m 3 Schwerbeton: Rohdichte > 2600 kg/m 3 Leichtbeton wird üblicherweise in Rohdichteklassen eingeteilt (Tab ). Die Rohdichte von Leicht- oder Schwerbeton kann aber auch über einen Zielwert festgelegt werden. Klasse Wert [mm] Blockierneigungsklasse, L-Boxversuch (nur SCC) Klasse Wert [-] Konsistenzbeschreibung nach Holcim C0* > 1.46 erdfeucht F1* 340 C S steif F C S plastisch F C S weich F C4** < 1.04 S sehr weich F S5* 220 fliessfähig F6* 630 SF SF PL1 SF PL mit 2 Bewehrungsstäben 0.80 mit 3 Bewehrungsstäben sehr fliessfähig sehr fliessfähig und selbstverdichtend * Wegen unzureichender Empfindlichkeit der Prüfverfahren nicht zu empfehlen. ** nur für Leichtbeton. Eine verbindliche Korrelation zwischen den Konsistenzklassen existiert nicht, jedoch hat die Praxis eine annähernde Gleichwertigkeit gezeigt. Tab : Konsistenzklassen gemäss der Norm SN EN und Konsistenzbeschreibung nach Holcim. Tab : Chloridgehaltsklassen gemäss der Norm SN EN Beton Klasse des Chloridgehalts Höchstzulässiger Chlorid gehalt, bezogen auf Zementmasse + k-wert Zusatzstoffmasse Ohne Betonstahlbewehrung oder anderes eingebettetes Metall (mit Ausnahme von korrosionsbeständigen Anschlagvorrichtungen) Mit Betonstahlbewehrung oder anderem eingebettetem Metall Cl 1.0 Cl M.-% 0.20 M.-% Mit Spannstahlbewehrung Cl M.-% Rohdichteklasse D1.0 D1.2 D1.4 D1.6 D1.8 D2.0 Rohdichtebereich [kg/m 3 ] 800 bis 1000 > 1000 bis 1200 > 1200 bis 1400 Tab : Klasseneinteilung von Leichtbeton nach der Rohdichte (ofentrocken) gemäss der Norm SN EN > 1400 bis 1600 > 1600 bis 1800 > 1800 bis Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 69

36 2. Beton Grundlagen, Herstellung und Anforderungen 2.3 Normative Anforderungen Zusätzliche Anforderungen Über die grundlegenden Anforderungen hinaus darf der Verfasser weitere Eigenschaften definieren. Zu jeder Eigenschaft sind aber die entsprechenden Prüfungen (Prüfmethode, Art der Proben und Anzahl Prüfungen) sowie die dazugehörigen Grenzwerte anzugeben. besondere Arten oder Klassen von Zement besondere Kategorien von Gesteinskörnungen Widerstand gegen Frost-Taumitteleinwirkung Frischbetontemperatur Festigkeitsentwicklung Wärmeentwicklung während der Hydratation verzögertes Ansteifen Widerstand gegen das Eindringen von Flüssigkeiten und schädlichen Stoffen Widerstand gegen lösenden Angriff Wassereindringwiderstand Abriebwiderstand Spaltzugfestigkeit Art und Gehalt von Fasern AAR-Beständigkeit Sulfatbeständigkeit andere Aspekte, z. B. hinsichtlich Oberflächenbeschaffenheit oder Einbringverfahren Für die Festlegung der Anforderungen, der Prüfmethoden, der Beurteilungskriterien usw. ist gegebenenfalls ein Experte beizuziehen. Betonsorten Zur praktischen Umsetzung der Norm SN EN wurden übliche Betonsorten für die meisten Anwendungen im Hoch- und Tiefbau sowie für Bohrpfahl- und Schlitzwandbetone vordefiniert (Tab ): Die Sorten sind mit 0 und A bis C für die Hochbaubetone und mit D bis G für die Tiefbaubetone, abgekürzt mit T1 bis T4, bezeichnet. Für Bohrpfahl- und Schlitzwandbetone gibt es vier Klassen, abgekürzt mit P1 bis P4. Diesen Betonsorten entsprechen dabei den Einheitsbetonen des Normpositions - kata loges (NPK). Für diese Betonsorten sind die grundlegenden Anforderungen bereits vorgegeben, können aber je nach Verwendungszeck des Betons bezüglich Grösstkorn, Konsistenz und Druckfestigkeitsklasse vom Verfasser der Festlegung angepasst werden. Die Klasse des Chloridgehaltes entspricht den Anforderungen für Stahl- und Spannbeton. Desweiteren sind für diese Betonsorten die zusätzlichen Anforderungen für ausgewählte Eigenschaften wie AAR-Beständigkeit, Sulfatwiderstand und Frost-Tausalzwiderstand festgelegt. Anforderungen an die Betonzusammensetzung werden durch Vorgaben an den maximalen w/z-wert, den Mindestzementgehalt und den Mehlkorngehalt gestellt. Abb : Der Beton wird in offenen Fahrzeugen während des Transports mit einer Schutzmatte abgedeckt, um ihn gegen Wasserverlust zu schützen. Tab : Grundlegende und zusätzliche Anforderungen an die üblichen Betonsorten für den Hochbau und Tiefbau sowie für Bohrpfahl- und Schlitzwandbetone mit einem Grösstkorn der Gesteinskörnung von 32 mm. Grundlegende Anforderungen Übereinstimmung mit der Norm Beton nach SN EN Sorte 0 Sorte A Sorte B Sorte C Sorte D (T1) Hochbau Druckfestigkeitsklasse a) C12/15 C20/25 C25/30 C30/37 C25/30 Expositionsklassen (CH) X0 XC2 XC3 XC4, XF1 XC4, XD1, XF2 Nennwert des Grösstkorns b) D max 32 D max 32 D max 32 D max 32 D max 32 Chloridgehaltsklasse Cl 0.10 Cl 0.10 Cl 0.10 Cl 0.10 Cl 0.10 Konsistenzklasse C3 C3 C3 C3 C3 Andere mitgeltende Expositionsklassen XC1 XF3, XD2a Zusätzliche Anforderungen (projektspezifisch) AAR-Beständigkeit kann gemäss Merkblatt SIA 2042 gefordert werden Sulfatwiderstand kann gefordert werden Frost-Tausalzwiderstand mittel f) Mindestanforderung an die Zusammensetzung Max. w/z-wert bzw. max. w/z eq -Wert [-] Mindestzementgehalt c) [kg/m 3 ] Sorte E (T2) Tiefbau Sorte F (T3) Sorte G (T4) P1 trocken (NPK H) P2 unter Wasser (NPK I) P3 trocken (NPK K) Bohrpfähle und Schlitzwände P4 unter Wasser (NPK L) C25/30 C30/37 C30/37 C25/30 C25/30 C20/25 C20/25 XC4, XD1, XF4 XC4, XD3, XF2 XC4, XD3, XF4 d) d) d) d) D max 32 D max 32 D max 32 D max 32 D max 32 D max 32 D max 32 Cl 0.10 Cl 0.10 Cl 0.10 Cl 0.10 Cl 0.10 Cl 0.10 Cl 0.10 C3 C3 C3 F4 F5 F4 F5 XD2a XD2b, XAA XD2b e) kann gefordert werden hoch f) mittel f) hoch f) evtl. mittel evtl. mittel Mehlkorngehalt [kg/m 3 ] D max > 8 mm D max 8 mm a) Es ist möglich, eine andere Druckfestigkeitsklasse projektspezifisch festzulegen. b) Es ist möglich, einen anderen Nennwert für das Grösstkorn projektspezifisch festzulegen. c) Der Mindestzementgehalt gilt ohne Anrechnung von Zusatzstoffen und für ein Grösstkorn D max = 32 mm. Wird ein anderes Grösstkorn D max verwendet, ist der Zementgehalt anzupassen (siehe Tab ), Ausnahme: Bohrpfahl- und Schlitzwandbeton. d) Um Missverständnisse zu vermeiden, wird auf die Angabe einer Expositionsklasse verzichtet. e) Bei Bohrpfählen und Schlitzwänden im Trockenen ist ein Sulfatangriff unwahrscheinlich. f) Nicht zwingend vorzugebende Anforderung, da sie sich unmittelbar aus der Wahl der Expositionsklasse XF ergibt. Abweichende Anforderungen sind zu vermeiden. 70 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 71

37 2. Beton Grundlagen, Herstellung und Anforderungen 2.3 Normative Anforderungen Schweizerische Dauerhaftigkeitsprüfungen Der Dauerhaftigkeit kommt seit der Einführung der Norm SN EN eine besondere Bedeutung zu. Aus diesem Grunde sind in der Schweiz folgende Dauerhaftigkeitsprüfungen für Hochbau- und Tiefbaubetone als Regelprüfungen festgelegt. Diese Dauerhaftigkeitsprüfungen sind in der Norm SIA 262/1 beschrieben: Wasserleitfähigkeit (WL) Karbonatisierungswiderstand (KW) Chloridwiderstand (CW) Frost-Tausalzwiderstand (FT) Die Konformitätskontrolle und -kriterien Frischbetoneigenschaften Mit Ausnahme der Konsistenz können die übrigen Frischbetoneigenschaften im Betonwerk geprüft werden. Beim Luftgehalt ist aber zu beachten, dass sich dieser massgeblich verändert während des Transports vom Betonwerk zur Baustelle. Konsistenz Die Konsistenz muss bei jeder Auslieferung bei Transportbeton und auf Baustellenanlagen zumindest visuell überprüft werden. Falls dies nicht möglich ist, darf die Konsistenz anhand der Mischerlast kontrolliert werden. Die physikalische Messung der Konsistenz muss in dem Moment erfolgen, in dem der Beton verwendet wird. Bei Transportbeton wird deshalb die Konsistenz beim Entladen gemessen. Die verschiedenen Prüfmethoden werden in folgenden Konsistenzbereichen angewendet: Setzmass 10 mm und 210 mm Verdichtungsmass 1.04 und < 1.46 Ausbreitmass > 340 mm und 620 mm Falls mit dem Besteller anstelle einer Konsistenzklasse ein Zielwert vereinbart wurde, gelten die folgenden Toleranzen in Tabelle Konsistenzmass Zielwert Bereich Toleranz Ausbreitmass alle Bereiche ±30 mm Setzmass Verdichtungsmass 40 mm ±10 mm mm ±20 mm 100 mm ±30 mm 1.26 ± ± ±0.05 Setzfliessmass alle Werte ±0.50 mm Tab : Toleranzen auf Zielwerte der Konsistenz gemäss der Norm SN EN Für die Konformitätskontrolle dürfen grössere Grenzabweichungen angewendet werden, wenn die Probenahme einer Menge von 0.3 m 3 bis maximal 1.0 m 3 entspricht (Tab ). Die Qualitätssicherung auf der Baustelle ist in Kapitel 3.11 beschrieben. Weitere Frischbetoneigenschaften Die Konformitätskontrolle und -kriterien für weitere Frischbetoneigenschaften ausser der Konsistenz sind in Tabelle aufgeführt. w/z-wert Die Konformitätskriterien gelten für den w/z-wert, der anhand der Zementmenge (Chargenprotokoll oder Mischanweisung) und dem wirksamen Wassergehalt berechnet wird. Flüssige Zusatzmittel ab einer Menge von mehr als 3 l/m 3 müssen dabei berücksichtigt werden. Ebenfalls dürfen anrechenbare Zusatzstoffe nach dem k-wert-konzept berücksichtigt werden. Kein einzelner w/z-wert darf den Grenzwert um übersteigen (siehe Tab ). Luftgehalt Der Luftgehalt, der notwendig ist, um eine ausreichende Frosttausalzbeständigkeit zu erreichen, wird vom Hersteller für seine Betonproduktion festgelegt. Der normkonforme Produktionsbereich liegt zwischen diesem Luftgehalt plus 4 Vol.-%. Der Produktionsbereich, inklusive der Grenzabweichung, umfasst eine Spanne von 5.5 Vol.-%. Für Betonstrassen gilt eine andere Regelung (siehe Kapitel 7.5). Prüfverfahren Beginn des Entladens nach Grenzabweichung einzelner Prüfergebnisse von den Grenzen der festgelegten Klasse oder von den Toleranzen des festgelegten Zielwertes Ausbreit mass Setzmass Untergrenze Obergrenze über 1 m 3 20 mm +30 mm min. 0.3 bis max. 1.0 m 3 30 mm +40 mm über 1 m 3 10 mm +20 mm min. 0.3 bis max. 1.0 m 3 20 mm +30 mm Tab : Konformitätskriterien für die Konsistenz des Frisch betons gemäss der Norm SN EN Tab : Dauerhaftigkeitsprüfungen und zulässige Zementarten für Hochund Tiefbaubetone. Hochbaubetone Tiefbaubetone Betonsorte Sorte 0 Sorte A Sorte B Sorte C Sorte D (T1) Sorte E (T2) Sorte F (T3) Sorte G (T4) Dauerhaftigkeitsprüfungen 1) keine WL 1), KW KW KW, FT KW, FT CW, FT CW, FT Zugelassene Zementarten Verdichtungs mass über 1 m min. 0.3 bis max. 1.0 m Setzfliess mass 30 mm +40 mm Blockier neigung falls gefordert, zu vereinbaren; ansonsten gelten die Klassengrenzen absolut CEM I CEM II/A-LL CEM II/A-D CEM III/A nicht zugelassen CEM III/B CEM II/B-M (V-LL) CEM II/B-M (T-LL) CEM II/B-M (S-T) CEM II/B-LL Die Mindestzementgehalte sind um 20 kg/m 3 zu erhöhen. nicht zugelassen CEM II/A-M (D-LL) CEM II/A-S CEM II/A-M (V-LL) CEM II/B-T CEM II/B-M (S-LL) ) WL, falls gefordert. Eigenschaft Mindestanzahl von Prüfungen Grenzabweichung einzelner Prüfergebnisse von den Grenzen der festgelegten Klasse oder von den Toleranzen des festgelegten Zielwertes Konsistenz Untergrenze Obergrenze siehe Tab siehe Tab wie Druckfestigkeit Rohdichte Schwerbeton 30 kg/m (Tab ) 3 keine Beschränkung, falls nicht festgelegt Rohdichte Leichtbeton 30 kg/m kg/m 3 w/z-wert Zementgehalt Luftgehalt Chloridgehalt 1 / Tag Berechnung aufgrund Chargenprotokoll oder Mischanweisung 1 / Tag aus Chargenprotokoll oder Mischanweisung 1 / Herstellungstag nach Stabilisierung Neuberechnung für jede Betonsorte bei Änderung der Ausgangsstoffe keine Beschränkung, falls nicht festgelegt 10 kg/m Vol.-% vom Mindestwert (festgelegt vom Hersteller) keine Beschränkung keine Beschränkung, falls nicht festgelegt +1 Vol.-% vom Absolutwert der Obergrenze (= Mindestwert + 4 Vol.-%) kein höherer Wert erlaubt Tab : Prüfhäufigkeiten und Konformitätskriterien für Frisch beton eigenschaften gemäss der Norm SN EN Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 73

38 2. Beton Grundlagen, Herstellung und Anforderungen 2.3 Normative Anforderungen Festbetoneigenschaften Die Konformitätskontrolle und -kriterien für Festbetoneigenschaften sind in Tabelle und aufgeführt. Zusätzlich gibt es noch Anforderungen an die Spaltzugfestigkeit analog zu derjenigen der Druckfestigkeit sowie an den Sulfatwiderstand (siehe Kapitel 6.3) und die AAR-Beständigkeit (siehe Kapitel 6.4) Beton nach Zusammensetzung Bei besonderen Bauvorhaben mit speziellen Anforderungen an die Betoneigenschaften oder bei der Verwendung spezieller Ausgangsstoffe (z. B. vorgeschriebene Gesteinskörnung) ist es aber auch möglich und sinnvoll, einen Beton nach Zusammensetzung zu bestellen. Die Verantwortung für das Erreichen der gewünschten Betoneigenschaften liegen in diesem Fall beim Verfasser der Betonrezeptur (siehe Tab ). Verfasser der Betonrezeptur kann sowohl der Unternehmer als auch der Projektverfasser bzw. Bauherr sein. Der Verfasser des Mischungsentwurfes für die Betonrezeptur kann sich dabei auf Langzeiterfahrungen, Erstprüfungen oder andere verfügbare Daten von vergleichbaren Betonen abstützen. Entsprechende Nachweise als Grundlage für den Mischungsentwurf und die Kontrollen der erreichten Frisch- und Festbetoneigenschaften sind Aufgabe des Verfassers. Der Konformitätsnachweis vom Hersteller muss für jede Charge erbracht werden, bezieht sich aber ausschliesslich auf die Einhaltung der bestellten Betonzusammensetzung gemäss den Anforderungen der Norm SN EN an die Produktionskontrolle, insbesondere die Dosiergenauigkeit. Der Konformitätsnachweis der Menge, Art und Herkunft der Betonausgangsstoffe beruht auf deren Lieferscheinen und den Chargenprotokollen (oder Mischanweisungen). Für die Konsistenz gelten dieselben Anforderungen für den Konformitätsnachweis wie bei Beton nach Eigenschaften. Bei der Bestellung müssen vollständige Angaben zur Betonzusammensetzung gemacht werden: Bezug auf SN EN Zementgehalt, Zementart und Festigkeitsklasse, Herkunft w/z-wert oder Konsistenzklasse Art, Kategorie und max. Chloridgehalt der Gesteinskörnung Mindest-, bzw. Höchstrohdichte der Gesteinskörnung bei Schwer- oder Leichtbeton Grösstkorn und Beschränkungen der Sieblinie Art und Menge der Zusatzmittel und der Zusatzstoffe, allenfalls Herkunft Folgende zusätzliche Anforderungen dürfen festgelegt werden: Herkunft aller Betonkomponenten Spezielle Anforderungen an die Gesteinskörnung (z. B. Farbe, Plattigkeit, PSV usw.) Frischbetontemperatur weitere technische Anforderungen Druckfestigkeit Erstherstellung (erste 35 Ergebnisse) Prüfung gemäss Norm SN EN Anforderungen für Mittelwert Einzelsorte Kriterium 1 Anforderungen für Mittelwert Betonfamilie Kriterium 1 Anforderungen für Mittelwert Betonfamilie Kriterium 3 Anforderungen an Einzelwerte Kriterium 2 Beton ohne Zertifizierung der Produktionskontrolle 2) Mittelwert von 3 Ergebnissen: f cm f ck + 4 N/mm 2 Mittelwert von 3 Ergebnissen: f cm umgerechnet f ck Referenzbeton + 4 N/mm 2 3 Proben für die ersten 50 Beton mit Zertifizierung der m3, Produktionskontrolle 2) danach 1 Probe alle 200 m 3 oder 2 Proben pro Produktionswoche Mittelwert von n Ergebnissen eines Einzelbetons: f cm Einzelsorte (2) f ck Einzelsorte 1.0 N/mm 2 f cm Einzelsorte (3) f ck Einzelsorte N/mm 2 f cm Einzelsorte (4) f ck Einzelsorte N/mm 2 f cm Einzelsorte (5) f ck Einzelsorte N/mm 2 f cm Einzelsorte (6) f ck Einzelsorte N/mm 2 Für jedes einzelne Prüfergebnis: f ci f ck Einzelsorte 4 N/mm 2 Stetige Herstellung Mittelwert von 15 Ergebnissen: f cm f ck σ 1) SD der letzten 15 Einzelergebnisse σ 15 : 0.63 σ σ σ Mittelwert von 15 Ergebnissen: f cm umgerechnet f ck Referenzbeton σ 1) aller f ci umgerechnet SD der letzten 15 Einzelergebnisse σ 15 : 0.63 σ σ σ 3 Proben für die ersten 50 m 3, danach 1 Probe alle 150 m 3 oder 1 Probe pro Produktionstag 1 Probe alle 400 m 3 oder 1 Probe pro Produktionswoche 1) σ: Standardabweichung (SD) erstmals berechnet aufgrund der ersten 35 Ergebnisse der Erstherstellung, resp. der vorangehenden letzten 35 Einzelergebnisse. 2) In der Schweiz dürfen Betonhersteller, die nicht gemäss der Norm SN EN zertifiziert sind, keinen Beton nach dieser Norm anbieten. Festbetoneigenschaft Wasserleitfähigkeit Karbonatisierungswiderstand Chloridwiderstand mittel Frost-Tausalzwiderstand Prüfung gemäss Norm SIA 262/1 Anhang A SIA 262/1 Anhang I SIA 262/1 Anhang B SIA 262/1 Anhang C Betonsorte Sorte B Sorte B, C, D und E Sorte F und G Sorte D und F Sorte E und G Grenzwert für Mittelwert q w 10 g/m 2 h 5) K N 5.0 mm/jahr 1/2 2) 3) 4) D Cl m 2 /s m 1200 g/m 2 Grenzwert für Mittelwert + Grenzabweichung Prüfhäufigkeit für Betonhersteller ohne ausreichende Erfahrung 1) Prüfhäufigkeit für Betonhersteller mit ausreichende Erfahrung 1) q w 12 g/m 2 h 5) K N 5.5 mm/jahr 1/2 2) 3) 4) D Cl m 2 /s m 1800 g/m 2 Mindestens 4 pro Jahr oder alle 500 m 3, ab 4000 m 3 alle 1000 m 3, ab m 3 alle 1500 m 3 Mindestens 2 pro Jahr oder alle 1000 m 3, ab 4000 m 3 alle 2000 m 3, ab m 3 alle 3000 m 3 Mindestens 4 pro Jahr oder alle 125 m 3, ab 1000 m 3 alle 250 m 3, ab 2000 m 3 alle 500 m 3 Mindestens 2 pro Jahr oder alle 250 m 3, ab 1000 m 3 alle 500 m 3, ab 2000 m 3 alle 1000 m 3 hoch m 200 oder m 600 g/m 2 und m 28 ( m 6 + m 14 ) m 250 oder m 800 g/m 2 und m 28 ( m 6 + m 14 ) 1) Betonhersteller mit ausreichender Erfahrung: Normkonforme Produktion einer Betonsorte während den letzten 3 Jahren. 2) Die angegebenen Werte gelten für eine Bewehrungsüberdeckung cnom gemäss Norm SIA 262 und für eine Nutzungsdauer von 50 Jahren. 3) Für XC3 und einer Nutzungsdauer von 100 Jahren ist K N 4.0 mm/jahr 1/2 (Grenzwert für Mittelwert + Grenzabweichung: 4.5 mm/jahr 1/2 ). Wenn die Bewehrungsüberdeckung gegenüber dem Wert der Norm SIA 262 von 35 auf 45 mm erhöht wird, gilt der Grenzwert von K N 4.5 mm/jahr 1/2 (Grenzwert + Grenzwertabweichung: 5.0 mm/jahr 1/2 ). 4) Für XC4 und einer Nutzungsdauer von 100 Jahren ist K N 4.5 mm/jahr 1/2 (Grenzwert für Mittelwert + Grenzabweichung: 5.0 mm/jahr 1/2 ). 5) Prüfung, falls Nachweis für wasserdichten Beton gefordert. Die Prüfhäufigkeit gilt grundsätzlich für jede Prüfung und jede zu prüfende Betonsorte. Werden verschiedene Betonsorten zu Betonfamilien gemäss Tabelle zusammengefasst, gelten die Prüfhäufigkeiten für die einzelne Betonfamilie. Sie ist abhängig von der kumulierten Produktionsmenge eines einzelnen Betons oder einer Betonfamilie während der letzten 12 Monate. Dabei ist die Regelung, die die höhere Anzahl Prüfungen ergibt, anzuwenden. Tab Prüfhäufigkeiten und Anforderungen für den Konformitätsnachweis der Druckfestigkeit gemäss der Norm SN EN Tab : Prüfhäufigkeiten und Anforderungen für den Konformitätsnachweis der Festbetoneigenschaften ausser Druckfestigkeit gemäss der Norm SN EN Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 75

39 Kapitel 3 Vom Frischbeton zum Festbeton 3.1 Einleitung Mischen Verarbeitbarkeit und andere Frischbeton - eigenschaften Konsistenz Frischbetonrohdichte Luftgehalt Transport, Betonübergabe, Förderung und Einbau Transport Betonübergabe Fördern Einbau Verdichten Ziel Verdichtungsarten Verdichtungsaufwand Lastunabhängiges Verformungsverhalten von Beton Einleitung Schwinden und Quellen Temperaturverformungen Korrosionsschutz der Bewehrung Dicke und Qualität des Überdeckungs - betons Verlust des Korrosionsschutzes durch Karbonatisierung Verlust des Korrosionsschutzes durch Chloride Qualitätssicherung auf der Baustelle Einleitung Überwachung des Betonierens Nachbehandlung Ziel und Massnahmen Arten der Nachbehandlung Anforderungen an die Nachbehandlung Betonieren bei extremer Witterung Frischbetontemperatur Betonieren bei warmer Witterung Betonieren bei kalter Witterung Mechanische Eigenschaften des Festbetons Druckfestigkeit Zugfestigkeit Elastizitätsmodul 107

40 3. Vom Frischbeton zum Festbeton 3. Vom Frischbeton zum Festbeton 3.1 Einleitung 3.1 Einleitung 3.2 Mischen Abb : Phasen beim Übergang vom Frischzum Festbeton. Beton wird als Frischbeton bezeichnet, solange er verarbeitbar ist. Ein erhärteter Beton wird dagegen als Festbeton benannt. Der Übergang vom Frischbeton zum Festbeton ist durch zwei zeitlich aufeinander folgende, ineinander übergehende Phasen gekennzeichnet: Phase des grünen Betons und Phase des jungen Betons (Abb ). Als grüner Beton wird der eingebaute, verdichtete und erstarrende Frischbeton bezeichnet. Die Grünstandfestigkeit entsteht im Wesentlichen durch Adhäsionskräfte zwischen Wasser und den festen Bestandteilen sowie durch die innere Reibung und die Kornverzahnung der Gesteinskörnung. Mit fortschreitender Zementhydratation und beginnender Erhärtung geht der grüne Beton in die Phase des jungen Betons über. Der junge Beton ist infolge seines erhärtenden Zustands nicht mehr verarbeitbar. Damit der Frischbeton die geforderten Festbetoneigenschaften erreicht, sind verschiedene Einflussfaktoren zu berücksichtigen, insbesondere beim Mischen, Transport, Fördern und Einbauen des Betons sowie bei dessen Verdichtung und Nachbehandlung. Relative Druckfestigkeit Mischen, Transport Ansteifen Einbau, Verdichten Ende der Verarbeitbarkeit Erhärten Stunden Tage Grüner Beton Junger Beton Festbeton Beginn der Nachbehandlung Abbindebeginn Anfang des Erhärtens Abb : Einbau und Verdichten von Kranbeton. Erreichen der Normfestigkeit Die Ausgangsstoffe werden in der Regel durch Wägen gemäss der Norm SN EN dosiert. Die Reihenfolge der Zugabe der Ausgangsstoffe ist zusammen mit dem Mischertyp und der Mischzeit verantwortlich für: Homogenität des Gemisches Wirkung der Zusatzmittel Anlagenleistung Mischerverschleiss Beim Mischen werden die Ausgangsstoffe üblicherweise in nachfolgender Reihenfolge dosiert: Gesteinskörnungen Zement Zusatzstoffe Zugabewasser und Zusatzmittel Dabei sollten die Fliessmittel in der Regel dem Zugabewasser beigemischt oder frühestens mit diesem dem Mischer zugegeben werden. Weitere Angaben wie beispielsweise die Zugabereihenfolge mehrerer Zusatzmittel sind den technischen Merkblättern des jeweiligen Zusatzmittels zu entnehmen. Leistungsaufnahme [kw] Einlauf der Komponenten Beginn der Nassmischzeit 60 Sekunden In Transportbetonwerken werden üblicherweise Zwangsmischer (Trommel-, Teller-, oder Trogmischer) eingesetzt (Abb ). Für jeden Mischertyp sind die minimale und maximale Chargengrösse festgelegt. Ein Unter- oder Überschreiten dieser Grenzwerte wirkt sich negativ auf die Betonqualität aus. Abb : Doppelwellen-Zwangsmischer. Mischzeit Die Mischzeit ist vom Mischertyp abhängig und durch Versuche festzulegen. Sie beginnt, wenn alle Komponenten im Mischer sind und endet wenn der Frischbeton homogen ist. Die Mischzeit bei Normalbetonen, d. h. die Nassmischzeit, beträgt üblicherweise ca Sekunden (Abb ). Ausreichende Homegenität erreicht Weitere, jedoch unbedeutende Homogenitätsverbesserung Entleeren des Betonmischers Mischzeit [Sekunden] Abb : Typischer Verlauf der Leistungsaufnahme des Mischmotors während des Mischvorgangs für vibrierten Beton. 78 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 79

41 3. Vom Frischbeton zum Festbeton 3.2 Mischen Tab : Empfohlene Mischzeiten für unterschiedliche Betonarten im Transportbetonwerk und im Fahrmischer. Abb : Fahrmischer auf der Anfahrt zu einer Baustelle. Betone mit besonderen Eigenschaften (z. B. selbstverdichtender Beton, hochfester Beton, Sichtbeton, Leichtbeton und Betone mit Luftporenbildnern) können längere Misch - zeiten erfordern (Tab ). Wird während der Mischzeit eine Nachdosierung des Zugabewassers zum Erreichen der vorgegebenen Frischbetonkonsistenz notwendig, ist die Mischzeit angemessen zu verlängern. Auch für den Fall, dass Fliessmittel oder Verflüssiger nach dem Hauptmischgang zugegeben werden, muss der Beton nochmals durchgemischt werden, bis sich das Zusatzmittel vollständig in der Mischung verteilt hat und voll wirksam ist. Eine zu kurze Mischzeit kann sich nachteilig auf die Frisch- und Festbetoneigenschaften (Abb ) auswirken. Zu kurze Mischzeiten führen dazu, dass die Zusatzmittel, z. B. der Luftporenbildner, nicht vollständig aufgeschlossen wird. Bei einem nachträglichen Energieeintrag im Fahrmischer kann sich der Luftgehalt bei LP-Betonen erhöhen (Nachaktivierung). Betonarten Empfohlene Nassmischzeit [Sekunden] Vibrierter Beton Beton mit besonderen Eigenschaften (z. B. Luftporenbeton, Leichtbeton) Beton mit Silikastaub (Slurry/Granulat) Selbstverdichtender Beton 120 Zugabe von Zusatzmitteln im Fahrmischer Vibrierter Beton 5 7 Empfohlene Mischzeit [Minuten] Relative Werte [%] Nassmischzeit [Sekunden] Druckfestigkeit Luftgehalt Abb : Einfluss der Mischzeit auf die relative Druckfestigkeit des Betons nach 28 Tagen und den relativen Luftgehalt (LP-Beton). 3.3 Verarbeitbarkeit und andere Frischbetoneigenschaften Konsistenz Die Konsistenz des Frischbetons bestimmt die Verarbeitbarkeit des Betons. Sie beschreibt neben dem inneren Zusammenhalt des Frischbetons wichtige Eigenschaften wie das Fliessverhalten, die Entmischungsneigung und die Glättbarkeit. Von der Konsistenz des Frischbetons hängt wesentlich ab, mit welchem Aufwand er sich auf der Baustelle fördern, einbringen und verdichten lässt. In der Schweiz werden für die Prüfung der Konsistenz vor allem die folgenden Verfahren eingesetzt: Ausbreitmass Verdichtungsmass nach Walz Setzmass (Slump) Bestimmung des Ausbreitmasses: Sicherstellen, dass die Prüfgeräte den normativen Vorgaben entsprechen. Ausbreitmasstisch auf ebene, horizontale, nicht federnde Unterlage stellen. Ausbreittisch, Konusinnenseite und alle Geräte feucht abwischen. Frischbeton mit Schaufel in zwei gleich hohen Lagen in den Konus einfüllen. Jede Lage mit 10 Stössen des Holzstampfers verdichten. Abziehen der Betonoberfläche bündig zur Konusoberfläche mit Stampfer und Reinigen der Tischplatte rund um den Konus. 30 Sekunden nach Abstreichen des Betons ist der Konus sorgfältig und langsam innerhalb von 3 6 Sekunden vertikal hochzuziehen. Tischplatte bis zum Anschlag heben und frei fallen lassen, Dauer je Vorgang: 2 5 Sekunden, Anzahl Wiederholungen: 15. Dabei den Tisch durch Stehen auf den dafür vorgesehenen Trittblechen fixieren. Grössten Durchmesser des entstandenen Kuchens in Für selbstverdichtenden Beton wurden andere Prüfverfahren entwickelt, welche seine besondere Konsistenz berücksichtigen. Diese Prüfverfahren werden in Kapitel 4.3 erläutert. Ausbreitmass Das Ausbreitmass beschreibt quantitativ das Ausbreitvermögen von Frischbeton auf einer flachen Platte, die aus festgelegter Höhe auf einen Rahmen fallengelassen wird. Die Bestimmung des Ausbreitmasses (f) ist in der Norm SN EN beschrieben. Das Ausbreitmass kann für Frischbeton der Konsistenzklassen F2 bis F5, d. h. für plastische bis fliessfähige Betone, eingesetzt werden. Für Ausbreitmasse 340 mm und > 600 mm wird die Messung des Ausbreitmasses nicht empfohlen (Tab ). zwei Richtungen d 1 und d 2 parallel zu den Tischkanten in Millimeter messen. Berechnen des Ausbreitmasses aus den beiden Messwerten mit Hilfe von Gleichung Das Ergebnis wird auf die nächsten 10 mm gerundet. Ausbreitmass: f = Gl d 1 + d 2 2 [mm] Beispiel 14: Für einen Beton ist im Rahmen einer Frischbetonprüfung das Ausbreitmass f zu ermitteln. Die Messung der Durchmesser d 1 und d 2 des Ausbreitmasskuchens ergaben die Werte d 1 = 450 mm und d 2 = 465 mm. d Ausbreitmass f = 1 + d = = 458 mm 2 2 Abb : Bestimmung des Ausbreitmasses gemäss der Norm SN EN d 1 d 2 80 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 81

42 3. Vom Frischbeton zum Festbeton 3.3 Verarbeitbarkeit und andere Frischbetoneigenschaften Beim Ausbreitmass kann zusätzlich zur Konsistenzmessung eine visuelle Beurteilung des Frischbetonkuchens anhand folgender Kriterien vorgenommen werden: Geometrie und Zusammenhaltevermögen Verteilung der groben und feinen Bestandteile (ausreichender Mörtelanteil) Wasserfilm am Rand Setzmass (Slump) Das Setzmass beschreibt quantitativ das selbständige Absetzen des Frischbetons. Die Bestimmung des Setzmasses (h) wird in der Norm SN EN definiert. Das Setzmass kann für Frischbeton der Konsistenzklassen S1 bis S4, d. h. für steife bis sehr weiche Betone, eingesetzt werden. Für Setzmasse > 220 mm wird die Prüfung nicht empfohlen (Tab ). Konsistenzänderung Wassergehalt [l/m 3 ] Druckfestigkeit nach 28 Tagen [N/mm 2 ] Ausbreitmass: +10 mm +5 1 bis 3 Verdichtungsmass: bis 8 Setzmass: +10 mm +2 bis bis 1.5 Ausbreitmass [mm] F4 F3 PCE-Basis C4 C Verdichtungsmass [-] Abb : Bestimmung des Verdichtungsmasses nach Walz gemäss der Norm SN EN Verdichtungsmass Das Verdichtungsmass beschreibt quantitativ die Verdichtbarkeit eines Frischbetons, wenn dieser vibriert wird. Die Bestimmung des Verdichtungsmasses nach Walz (c) wird in der Norm SN EN definiert. Das Verdichtungsmass kann für Frischbeton der Konsi stenzklassen C1 bis C3, d. h. für steife bis weiche Betone, eingesetzt werden. Für Verdichtungsmasse < 1.04 oder > 1.45 wird die Prüfung nicht empfohlen. Bei Leichtbetonen gilt eine Ausnahme für Verdichtungsmasse < 1.04 bzw. die Konsistenzklasse C4 (Tab ). Bestimmung des Verdichtungsmasses: Sicherstellen, dass die Prüfgeräte den normativen Vorgaben entsprechen. Behälter innen feucht abwischen und auf feste, ebene Unterlage stellen. Mit der Kelle abwechselnd über alle vier Kanten des Behälters Frischbeton lose einfüllen. Den überstehenden Beton mit einem Abstreich- Lineal in einer Sägebewegung entfernen (dabei ein Verdichten des Betons vermeiden). Beton mit einem Rütteltisch oder einem Innenrüttler verdichten bis keine Volumenverringerung mehr festzustellen ist. An jeder Seite des Behälters ist der Abstand zwischen der Oberfläche des verdichteten Betons und der Oberfläche des Behälters s 1 bis s 4 auf 1 mm genau zu messen und der Mittelwert (s) zu bilden. Berechnen des Verdichtungsmasses aus dem Mittelwert mit Gleichung Das Ergebnis wird auf zwei Dezimalstellen gerundet. Verdichtungsmass: 400 c = [-] 400 s Gl Die Veränderung des Wassergehalts einer gegebenen Betonrezeptur bei gleichbleibenden Temperaturbedingungen bewirkt sowohl eine Konsistenzänderung als auch eine veränderte Festigkeitsentwicklung (siehe Tab ). Beispiel 15: Für einen Beton ist im Rahmen einer Frischbetonprüfung das Verdichtungsmass c zu bestimmen. Die Messung der Abstände s 1 bis s 4 ergaben folgende Messwerte: s 1 = 14 mm, s 2 = 16 mm, s 3 = 13 mm und s 4 = 14 mm. Berechnung des Mittelwerts s: s s = 1 + s 2 + s 3 + s = = mm 4 4 Verdichtungsmass c: c = = = 1.04 mm 400 s Tab : Richtwerte für die Konsistenz- und Druckfestigkeitsänderung durch Veränderung des Wassergehalts. Konsistenzverlust über die Zeit Nach dem Mischende beginnt der Beton langsam anzusteifen, wodurch sich die Verarbeitbarkeit verschlechtert (Abb ). Die Verarbeitungszeit wird massgebend von der Betonzusammensetzung und der Witterung beeinflusst. Aus diesem Grunde wird bei der Produktion die Transportzeit des Betons in Form eines Konsistenzvorhaltemasses berücksichtigt. So kann die vereinbarte Konsistenz zum Zeitpunkt der Verarbeitung sichergestellt werden. Als Faustformel für das Ansteifen von üblichen Betonen mit Fliessmittel auf PCE-Basis und mit einer Frischbetontemperatur von 20 C kann ein Verlust des Ausbreitmasses von mm je 10 Minuten angenomen werden. Bei hohen Betontemperaturen sowie bei rasch erhärtenden Zementen oder geringen Wassergehalten steifen Betone schneller an. Das Ausbreitmass eines üblichen Betons unmittelbar nach der Herstellung ist bei einer Frischbetontemperatur von 30 C ca. eine Konsistenzklasse tiefer im Vergleich zu einem identischen Beton mit einer Frischbetontemperatur von 20 C. Bestimmung des Setzmasses: Sicherstellen, dass die Prüfgeräte den normativen Vorgaben entsprechen. Innenfläche des Kegelstumpfs und Bodenplatte feucht abwischen. Frischbeton in drei gleich hohen Lagen einbringen, ohne den Kegelstumpf zu verschieben. Jede Schicht mit 25 Stössen des Stampfers verdichten. Dabei sind die normativen Vorgaben zur Durchführung zu beachten. Vor dem Füllen und Verdichten der obersten Schicht den Beton über die Form hinaus füllen Zeit nach Herstellung [Minuten] Den überstehenden Beton in einer Sägebewegung mit dem Stahlstab abstreichen und Unterlage reinigen. Kegelstumpf sorgfältig (ohne Drehen) senkrecht innerhalb von 2 bis 5 Sekunden hochziehen. Der gesamte Vorgang vom Beginn des Einfüllens bis zum Hochziehen der Form ist innerhalb von 150 Sekunden durchzuführen. Messen des Setzmasses (h) auf 10 mm genau. Abb : Bestimmung des Setzmasses (Slump) gemäss der Norm SN EN S 100 mm h 400 mm 300 mm 380 F2 Naphthalinbasis C Abb : Zeitliche Veränderung der Konsistenz (linke Abzisse: Ausbreitmass, rechte Abzisse: Verdichtungsmass) nach der Herstellung eines Betons bei einer Frischbetontemperatur von 20 C. Der dunkle Bereich gilt für Fliessmittel auf PCE-Basis, der helle Bereich für Fliessmittel auf Naphthalin- und Melaminbasis. 200 mm 200 mm 82 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 83

43 3. Vom Frischbeton zum Festbeton 3.3 Verarbeitbarkeit und andere Frischbetoneigenschaften Frischbetonrohdichte Luftgehalt Wassergehalt Anhand der Frischbetonrohdichte kann die berechnete Sollrohdichte aus dem Mischungsentwurf überprüft werden. Der Vergleich von berechneter und gemessener Frischbetonrohdichte erlaubt Rückschlüsse auf die vollständige Verdichtung und die Zusammensetzung des Betons. Die Bestimmung der Frischbetonrohdichte ist in Norm SN EN beschrieben. Ist neben der Frischbetonrohdichte auch der Luftgehalt gemäss SN EN zu bestimmen, sind beide Grössen gemeinsam an der gleichen Probe zu ermitteln. Bestimmung der Frischbetonrohdichte: Luftporentopf vor dem Befüllen innen mit feuchtem Schwamm leicht anfeuchten. Luftporentopf auf mindestens 10 g genau wägen (m 1 ). Luftporentopf auf horizontale Unterlage stellen und mit kleiner Schaufel den Topf mit Beton füllen. Verdichtung erfolgt normalerweise mit einem Innenrüttler. Beton, eventuell unter Beigabe von weiterem Beton, vollständig verdichten. Oberfläche mit Glättkelle glätten und bündig mit dem Rand des Behälters abstreichen. Oberfläche mit Stahllineal abziehen. Anmerkung: Ein Aufsatzring kann verwendet werden. Wird dieser verwendet, wird die überstehende Betonschicht (maximal ca. 1 cm) mit dem Abstreichlineal und der Glättkelle bündig und eben abgezogen. Unmittelbar nach dem Verdichten ist der Aufsatzring zu entfernen. Rand und Aussenseiten des Behälters mit Schwamm reinigen. Wiegen des gefüllten Topfes (m 2 ). Berechnen der Frischbetonrohdichte mit Gleichung aus der Differenz der Massen (m 2 m 1 ) und dem bekannten Volumen des Behälters (V). Frischbeton enthält auch nach sorgfältiger Verdichtung noch Verdichtungsporen. Bei einem Beton mit 32 mm Grösstkorn sind dies bei weicher Konsistenz normalerweise etwa 1 bis 2 Vol.-% (ohne künstliche Luftporen). Die Bestimmung des Luftgehaltes wird in der Norm SN EN für verdichteten Frischbeton beschrieben, welcher mit normaler oder relativ dichter Gesteinskörnung mit einem Grösstkorn bis 63 mm hergestellt wurde. Für Beton, der mit leichter Gesteinskörnung hergestellt wurde, muss ein anderes Prüfverfahren gewählt werden. Bei selbstverdichtendem Beton wird auf eine Verdichtung verzichtet bzw. kann mit einem Schlegel leicht an die Aussenwand des Luftporentopfs geklopft werden, um den Beton auch ohne Fliessstrecke zu entlüften. Die Verdichtungsmethode muss im Bericht angegeben werden. Bestimmung des Luftgehalts: Beton in Luftporentopf einfüllen und vollständig verdichten (siehe Kapitel 3.3.2). Topfdeckel aufsetzen und nachfolgend fest verschliessen. Hauptventil schliessen und seitliche Ventile öffnen. Wasser mit Spritzflasche in ein Ventil einspritzen bis es am anderen Ventil blasenfrei austritt. Austrittsventil während Wasseraustritt schliessen. Mit dem Schlegel gegen das Gerät klopfen oder durch leichte Kipp-Bewegungen die noch enthaltene Luft vollständig austreiben, anschliessend bei fortwährender Wasserzugabe auch das Eintrittsventil schliessen. Mit Pumpe Druck erzeugen; dabei muss der Zeiger über die Nullpunktanzeige steigen. Nullpunktanzeige am Manometer mittels Nachpumpen oder Ablassen von Luft stabilisieren. Kontrolle durch Anklopfen des Manometers (Zeiger darf sich nicht mehr bewegen). Messventil öffnen, Manometer nicht anklopfen, Luftgehalt (LP) auf eine Dezimalstelle genau ablesen. Sind der Zementgehalt und die Frischbetonrohdichte bekannt, so kann der w/z-wert über den Wassergehalt einer Betonprobe ermittelt werden. Die Bestimmung des Wassergehaltes im Frischbeton wird in der Norm SIA 262/1, Anhang H, beschrieben. Die Durchführung der Darrprüfung dauert ca. 30 Minuten. Bestimmung des Wassergehalts: Trocknungsbehälter mit Trockenblech wägen (Tara notieren) und Waage tarieren. ca. 10 kg (bei Grösstkorn D max 32 mm) Frischbeton in Trocknungsbehälter geben und wägen der Ausgangsmasse (m 0 ). Ablesegenauigkeit von 1 g. Trocknungsbehälter auf das Gestell des Gasbrenners stellen und Zeit notieren (maximale Trocknungzeit ca. 20 min). Während des Austrocknungsvorgangs Beton von Zeit zu Zeit mit Kelle oder einem anderen geeigneten Gerät bewegen, Klumpen zerschlagen, Krusten von Gesteinskörnern lösen. Wenn die Probe augenscheinlich trocken ist, Behälter wägen, Masse und Zeitpunkt der Wägung bestimmen. Ablesegenauigkeit von 1 g. Nach jeweils ca. 5 Minuten weiterer Trocknung diesen Vorgang wiederholen, bis der Masseverlust < 5 g / 5 min ist. Letzte Wägung durchführen und Masse der getrockneten Probe (m tr ) ermitteln. Diese ist für die Berechnung des Wassergehaltes massgebend. Berechnen des Wassergehalts mit der Gleichung Der Wassergehalt ist mit einer Genauigkeit von 1 kg/m 3 anzugeben. Wassergehalt: m W = 0 m tr ρ 0 [kg/m 3 ] m 0 Gl Beispiel 16: Für einen Beton ist im Rahmen einer Frischbetonprüfung der Wassergehalt und der w/z-wert des Frischbetons zu ermitteln. Der Beton weist eine Frischbetonrohdichte von ρ 0 = 2382 kg/m 3 auf: Es wurde eine Frischbetonprobe m 0 = kg verwendet, die nach dem Austrocknungs vorgang eine Masse von m tr = 9.72 kg aufwies. Berechnung des Wassergehalts W: m W = 0 m tr ρ 0 = 2382 m = kg/m 3 Bei einem verwendeten Zementgehalt Z von 280 kg/m 3 und unter Berücksichtigung der Kernfeuchte der Gesteinskörnung W A von 13 kg/m 3 kann der w/z-wert wie nachfolgend beschrieben ermittelt werden: W W w/z = A = = 0.55 Z 280 Abb : Bestimmung des Wassergehaltes mittels Austrocknen ( Darren ) des Frischbetons gemäss der Norm SIA 262/1, Anhang H. Frischbetonrohdichte: (m ρ 0 = 2 m 1 ) [kg/m 3 ] V m 1 Masse des Luftporentopfs leer m 2 Masse des Luftporentopfs mit Frischbeton bündig gefüllt und verdichtet V Volumen des Luftporentopfs Das Ergebnis der Dichtebestimmung ist auf 10 kg/m³ anzugeben. Abb : Bestimmung des Luftgehaltes im Frischbeton mittels Luftporentopf gemäss der Norm SN EN Gl Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 85

44 3. Vom Frischbeton zum Festbeton 3. Vom Frischbeton zum Festbeton 3.4 Transport, Betonübergabe, Förderung und Einbau 3.4 Transport, Betonübergabe, Förderung und Einbau Betonübergabe Auf der Baustelle müssen der Lieferschein und das Transportgut vom Baustellenverantwortlichen kontrolliert werden. Weitere Angaben zur Qualitäts kontrolle auf der Baustelle sind im Kapitel 3.11 aufgeführt. Abb : Betoneinbau mit Fallrohr zur Minimierung der Fallhöhe Fördern Tab : Konsistenzwahl in Abhängigkeit der Fördermittel Transport Transportbeton ist nach seiner Herstellung im Beton - werk möglichst rasch auf die Baustelle zu transportieren und zu verarbeiten, um Qualitätseinbussen durch Entmischen, Austrocknen oder Abbinden zu vermeiden. Frischbeton mit der Konsistenz F3 bis F5 (weich bis sehr fliessfähig) sollte nur in Fahrzeugen mit Rührwerk trans portiert werden (Fahrmischer). Frischbeton mit steifer Konsistenz (F1 und F2) darf mit Fahrzeugen ohne Mischwerkzeug befördert werden. Dabei ist darauf zu achten, dass die Mulde des Transportfahrzeugs nicht aus Aluminium besteht, weil abgeschliffene Aluminiumteilchen mit dem Zementleim unter Bildung von Wasserstoffgas reagieren können (unerwünschter Lufteintrag). Der Beton muss während des Transports vor Regen, Sonneneinstrahlung, Fahrtwind, Frost usw. geschützt werden. Je nach vorherrschenden klimatischen Bedingungen sind geeignete Massnahmen zu treffen (Abdecken des Betons, Erhöhen der Frischbetontemperatur usw.). Bei Fahrmischertransporten sollte der Beton nach der Ankunft auf der Baustelle unmittelbar vor dem Entladen 1 bis 2 Minuten nachgemischt werden, besonders wichtig ist dies bei Luftporenbeton. Im Allgemeinen ist die nachträgliche Veränderung der Betonrezeptur ausserhalb des Betonwerks unzulässig. In besonderen Fällen darf jedoch die Konsistenz unter der Verantwortung des Herstellers durch die Zugabe von Wasser und/oder Zusatzmittel auf den Zielwert gebracht werden. Dabei ist darauf zu achten, dass die Grenzwerte, die gemäss Festlegung erlaubt sind, nicht überschritten Fördermittel Förderband Kübel Betonpumpe Kübel mit Fallrohr Rinne oder Rutsche möglich empfohlen werden und die Zugabe von Zusatzmitteln in der Erstprüfung berücksichtigt wurde. Die Mengen des im Fahrmischer zugegebenen Wassers oder Zusatzmittels müssen in jedem Fall auf dem Lieferschein vermerkt werden. Es gelten die Mindestmischzeiten nach Tabelle Zu beachten ist, dass eine nachträgliche Wasserzugabe zur deutlichen Verminderung der Druckfestigkeit und der Dauerhaftigkeit führt (Abb ). Bei Fahrzeugen ohne Mischmöglichkeit ist jede Veränderung des Betons zu unterlassen. Relative Druckfestigkeit [%] C20/25 C40/ Nachträgliche Wasserzugabe [l/m 3 ] Abb Einfluss nachträglicher Wasserzugabe auf der Baustelle auf die Druckfestigkeit nach 28 Tagen. Der Einfluss nachträglicher Wasserzugabe zum Beton wirkt sich bei geringen Druckfestigkeitsklassen (C20/25) prozentual deutlich negativer aus als bei Betonen mit höherer Druckfestigkeitsklasse (C40/50). Grundsätzlich werden jedoch die vereinbarten Eigenschaften (Festigkeit, Dauerhaftigkeit) immer beeinträchtigt. Betonkonsistenz C1 C2/F2 C3/F3 F4 Je nach örtlichen Gegebenheiten und Fördermitteln auf der Baustelle sind die in Tabelle genannten Konsistenzen geeignet. Bei der Förderung im Krankübel kann üblicherweise eine Entmischung des Betons ausgeschlossen werden. Beim Transport von weichen Betonen sowie beim Pumpen von Frischbeton durch Rohrleitungen ist darauf zu achten, dass die Betone ein gutes Zusammenhaltevermögen aufweisen und kein Wasser absondern. Dadurch kann einem Entmischen entgegen gewirkt werden, welches z. B. beim Pumpen von Beton zu einer Verstopfung der Rohre bzw. Schlauchleitung führen kann (siehe Kapitel 4.1) Einbau Konsistenz und Grösstkorn des Betons müssen auf die Baustellengegebenheiten (Geometrie und Bewehrungsabstand) angepasst und auf die Einbaumenge und die Einbauleistung aufeinander abgestimmt sein. Das Einbringen des Betons sollte mit gleichbleibender Geschwindigkeit in möglichst gleichmässig hohen, horizontalen Schichten erfolgen. Um eine genügende Verdichtbarkeit des Betons zu erreichen, sollte die Schütthöhe höchstens 50 bis 70 cm betragen. Bei Fallhöhen von über 2 m sollte der Beton durch ein Fallrohr oder einen Verteilschlauch eingebracht werden, um ein Entmischen zu vermeiden (Abb ). Die Steiggeschwindigkeit des einzubringenden Betons ist so zu wählen, dass die Schalung den auftretenden Frischbetondruck aufnehmen kann (Abb ). Nach Möglichkeit ist der Betoniervorgang nicht zu unterbrechen, vor allem bei besonderen Anforderungen an die Oberflächenqualität (Sichtbeton). In Abbildung ist der Frischbetondruck auf lotrechte Schalungen nach der Norm DIN für Betone einer Festigkeitsklasse von mindestens C20/25, ohne Verwendung von Verzögerern dargestellt. Sie gilt für ein Erstarrungsende t E = 7 Stunden, d. h.: für Betone mit schneller Festigkeitsentwicklung nach Norm SN EN und Betontemperaturen über 15 C und für Betone mit mittlerer Festigkeitsentwicklung bei Betontemperaturen über 20 C Frischbetondruck ρ b [kn/m 2 ] Steiggeschwindigkeit v b [m/h] langsames Betonieren Konsistenzklasse F3 Konsistenzklasse F4 Konsistenzklasse F5 Konsistenzklasse F6 schnelles Betonieren selbstverdichtender Beton hydrostatischer Druck Vor dem Anbetonieren in Arbeitsfugen muss die Oberfläche des Festbetons von Verunreinigungen und losen Partikeln befreit und vorgenässt werden, damit ein guter Verbund mit dem neu eingebrachten Beton entsteht. Das Betonieren auf gefrorenem Untergrund ist nicht zulässig, es sein denn, es werden besondere Massnahmen getroffen. Abb : Frischbetondruck in Abhängigkeit von der Steiggeschwindigkeit und der Konsistenzklasse, bzw. Bestimmung der max. Steiggeschwindigkeit bei festgelegtem Frischbetondruck gemäss Norm DIN Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 87

45 3. Vom Frischbeton zum Festbeton 3.5 Verdichten 3.5 Verdichten Regeln für gutes Verdichten Eintauchstellen der Vibriernadel Frischbeton sollte nicht mit der Vibriernadel verteilt werden. Oberfläche der unverdichteten Schüttung Ziel Bei der Herstellung von dauerhaftem Beton spielt neben der Nachbehandlung und der Betonzusammensetzung das sorgfältige Verdichten eine wesentliche Rolle. Durch das ausreichende Verdichten des Frischbetons werden erreicht: erhöhte Dichtigkeit verbesserte Dauerhaftigkeit geforderte Druckfestigkeit guter Verbund zwischen Bewehrung und Beton Verdichtungsarten Die Wahl der Verdichtungsart ist abhängig von der Konsistenz (Abb ). Betone mit den Konsistenzklassen C3/F3 und C2/F2 werden in der Regel durch Vibrieren (Rütteln) verdichtet. Nur bei der sehr steifen Konsistenz C1/F1 wird der Frischbeton durch Stampfen verdichtet. Das Vibrieren erfolgt am häufigsten mit Innenrüttlern (Vibriernadeln) oder mit Aussenrüttlern (Schalungsvibratoren oder bei Oberflächenfertigern mit Flächenvibratoren) und in Fertigteilwerken mit Vibriertischen. Häufig werden die Methoden auch kombiniert eingesetzt. Beim Verdichten werden die Gesteinskörner in Schwingung versetzt, wodurch die innere Reibung vorübergehend stark abnimmt. Durch den Einfluss der Schwingungen und der Schwerkraft lagern sich die Einzelkörner dichter aneinander, die eingeschlossene Luft entweicht in Form von Luftblasen an die Oberfläche und die Hohlräume füllen sich mit Feinstmörtel. Im Gegensatz zum vibrierten Beton entfällt beim selbstverdichtenden Beton (SCC) jegliches Vibrieren (siehe Kapitel 4.3) Verdichtungsaufwand Je nach Konsistenz und eingebrachter Verdichtungsenergie kann die Verdichtungszeit erheblich variieren (Tab ). Es ist darauf zu achten, dass der Beton gemäss seiner Konsistenz und Eigenschaften den individuell benötigten Verdichtungsaufwand erfährt. Un zureichendes Verdichten kann zu Fehlstellen und über mässiges Verdichten zu Entmischungen führen. Durchmesser Vibriernadel [mm] Durchmesser des Wirkungsbereichs [cm] < bis > Abstand zwischen den Eintauchstellen [cm] Tab : Anhaltswerte für den Durchmesser des Wirkungsbereiches und den Abstand der Eintauchstellen. Die Vibriernadel ist rasch in möglichst gleichen Abständen in den Beton lotrecht einzuführen und nach kurzem Verharren im Tiefstpunkt langsam herauszuziehen, wobei sich die Oberfläche des Betons schliessen muss. Schliesst sich die Oberfläche nicht mehr, ist die Konsistenz zu steif oder das Erstarren des Betons hat bereits begonnen. Das Vibrieren ist zu beenden, sobald an der Oberfläche grössere Luftblasen nur noch vereinzelt austreten und die Oberfläche zu glänzen beginnt. Wird Beton in mehreren Schichten frisch in frisch eingebracht, muss die Vibriernadel etwa 10 bis 15 cm tief in die bereits verdichtete Schicht eintauchen, damit eine ausreichende Verbindung der beiden Schichten gewährleistet ist (Abb ). Der Abstand der Eintauchstellen ist so zu wählen, dass sich die von der Rüttelbewegung erfassten Bereiche überschneiden (Abb links). Die Grösse der Vibriernadel muss auf die Bauteilgrösse abgestimmt sein (Abb rechts). Die Vibriernadel sollte die Bewehrung und die Schalung nicht berühren. Abstand der Eintauchstellen = 8- bis 10-facher Durchmesser der Vibriernadel. Beispiele: Betonieröffnung / Rüttellücke Breite der Rüttellücke [cm] Durchmesser der Vibriernadel [mm] Abstand der Eintauchstellen [cm] Abb : Abstand der Eintauchstellen. richtig Schalung falsch Abb Überschneiden der Wirkungsbereiche (links); Abstimmen der Grösse der Vibriernadel auf die Bauteilabmessungen (rechts). bereits verdichtete Schicht richtig falsch Schalung cm cm Abb : Einbringen von frisch in frisch und Verdichten des Betons mit Vibriernadel. Abb : Verdichtungsaufwand in Abhängigkeit von der Konsi stenzklasse des Betons. Konsistenzklassen C1/F1 C2/F2 C3/F3 C4/F4 F5 F6 SCC Verdichtungsaufwand Stampfen Walzen starkes Verdichten normales Verdichten geringes Verdichten schwaches Verdichten (Stochern, Klopfen) sehr leichtes Verdichten (Schwabbeln) kein Verdichten 88 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 89

46 3. Vom Frischbeton zum Festbeton 3. Vom Frischbeton zum Festbeton 3.6 Nachbehandlung 3.6 Nachbehandlung Beispiel 17: Berechnung des Wasserverlusts eines ungeschützten Betons Annahme: Wassermenge im Beton: 165 kg/m 3 = 1.65 kg/(cm m 2 ) Austrocknungsrate: 0.8 kg/(m 2 h) Frühschwinden [mm/m] 4 3 ungeschützter Beton bei Windgeschwindigkeit von 20 km/h ungeschützter Beton bei Windgeschwindigkeit von 10 km/h Abb : Zeitlicher Verlauf und Ausmass des Frühschwindens in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit und der Nachbehandlung kg m 2 h h = kg m 2 cm cm Ziel und Massnahmen Die Nachbehandlung stellt sicher, dass der Beton unverzüglich und solange gegenüber Wasserverlust und äusseren Einflüssen geschützt wird, bis er insbesondere in der Betonrandzone eine genügende Festigkeit erreicht hat. Die Qualität der Betonrandzone hängt massgeblich von der Art und Dauer der Nachbehandlung ab. Die Dauerhaftigkeit der Betonrandzone ist entscheidend für den Schutz der Bewehrung. Ziele der Nachbehandlung sind: Begrenzen des vorzeitigen Austrocknens durch Sonnenbestrahlung, Wind und geringe Luftfeuchtigkeit Vermeiden des Auswaschens der jungen Betonoberfläche durch Niederschläge und fliessendes Wasser Vermeiden von raschen Temperaturwechseln (thermischer Schock) durch zu frühes Ausschalen und bei massiven Bauteilen Verhindern von frühen, schädlichen Erschütterungen Vermindern von Ausblühungen auf der Betonoberfläche Sicherstellen eines ausreichenden Hydratationsgrads Begrenzen des vorzeitigen Austrocknens Besonders wichtig ist der unmittelbar nach dem Einbringen einsetzende Schutz gegen vorzeitiges Austrocknen der Betonrandzone. Nachteilige Folgen eines frühzeitigen Wasserverlustes des oberflächennahen Betons sind: Auftreten von Frühschwindrissen Neigung zum Absanden verringerte Dichtigkeit und Dauerhaftigkeit geringerer Verschleisswiderstand verminderte Druckfestigkeit in der Betonrandzone Die Austrocknungsgeschwindigkeit hängt ab von der: Lufttemperatur relativen Luftfeuchtigkeit (r. F.) Windgeschwindigkeit Betontemperatur Relative Luftfeuchtigkeit [%] Lufttemperatur [ C] 4.0 Austrocknungsrate (verdunstete Wasermenge) [kg/(m 2 h)] Mit Hilfe des Diagramms in Abbildung lässt sich die Verdunstungswassermenge einer ungeschützten Beton oberfläche abschätzen und so die Gefahr der Rissbildung infolge Frühschwindens verdeutlichen. Anhand der getroffenen Annahme in Abbildung wird im Beispiel 17 die Auswirkung des Austrocknens einer ungeschützten Beton oberfläche für einen gegebenen Normalbeton aufgezeigt. 0 Betontemperatur [ C] Horizontale Bauteile wie Decken, Bodenplatten und Betonstrassen mit einer grossen, exponierten Oberfläche sind besonders anfällig für ein vorzeitiges Austrocknen. Dies gilt insbesondere für Bedingungen beim Betonieren, bei denen eine starke Verdunstung auftreten kann, z. B. bei warmem Wetter, bei Wind und bei kalter, trockener Luft. Aus diesem Grund ist nach Abschluss des Verdichtens und der Oberflächenbearbeitung des Betons die Oberfläche unverzüglich nachzubehandeln In der Praxis werden bei grossen Betonierabschnitten, die sich über mehrere Stunden erstrecken und bei denen mit der Nachbehandlung erst nach dem Ende Windgeschwindigkeit [km/h] Abb : Diagramm zur Abschätzung der Austrocknungsrate einer ungeschützten Betonoberfläche. Annahme (rot): Lufttemperatur: 28 C relative Luftfeuchtigkeit: 50 % Betontemperatur: 28 C Windgeschwindigkeit: 20 km/h Ergebnis: Austrocknungsrate = 0.8 kg/(m² h) Nach ca. 2 Stunden ist 1 cm des Oberflächenbetons ausgetrocknet. Bewehrungsüberdeckung 35 mm 1 cm Austrocknung an der exponierten Oberfläche Abb : Einfluss der Austrocknungsrate von 0.8 kg/(m 2 h) (siehe Abb ) auf den Wasserverlust eines ungeschützten Betons. des Betonierens begonnen wurde, häufig Risse im Anfangsbereich der Etappe beobachtet. Der Beton in diesem Bereich ist bei Beginn der Nachbehandlung schon mehrere Stunden alt und war bereits bedeutendem Frühschwinden ausgesetzt, wohingegen der Beton gegen Ende der Etappe direkt nach dem Einbringen nachbehandelt wird und praktisch kein Frühschwinden aufweist. Soll die Rissbildung an der freien Oberfläche infolge Frühschwindens vermieden werden, ist eine zwischenzeitliche Nachbehandlung vor der Oberflächenbearbeitung durchzuführen. Bei Verwendung von Beton mit geringer Neigung zur Wasserabsonderung und Bluten sollte der Vermeidung von Rissbildung infolge Frühschwindens besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden. In Abbildung ist der zeitliche Verlauf des Frühschwindens in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit und der Nachbehandlung dargestellt. Das Frühschwinden von nicht nachbehandeltem Beton kann Werte im Bereich von 4 mm/m erreichen und ist damit 10 mal grösser als bei einem nachbehandelten Beton. Die Gefahr der Rissbildung infolge Frühschwindens bei nicht nachbehandelten Betonen ist in den ersten Stunden nach dem Betonieren am grössten. 1 0 mit einem Nachbehandlungsmittel geschützter Beton Zeit [h] Vermeiden des Auswaschens Frischbeton und junger Beton müssen vor Regen und abfliessendem Regenwasser geschützt werden, da ansonsten der Zementleim an der Betonoberfläche ausgewaschen wird. Dadurch wird sowohl die Festigkeit als auch die Dauerhaftigkeit der Betonrandzone herabgesetzt, was u. a. am Absanden der entfestigten Oberfläche sichtbar ist. Um solche bleibenden Schäden am frischen oder jungen Beton durch Auswaschen zu verhindern, können vollflächige Folien- oder Mattenabdeckungen verlegt werden. Vermeiden von raschen Temperaturwechseln und -gradienten Beton dehnt sich bei Wärme aus und zieht sich bei Kälte zusammen. Diese temperaturbedingten Verformungen können Zugspannungen im Beton hervorrufen, wenn sie behindert werden oder bei grossen Temperaturgradienten im Bauteil. Wenn die Zugfestigkeit des Betons überschritten wird, treten Risse auf. Durch den Schutz mit wärmedämmenden Matten wird der Temperaturabfall an der Oberfläche verlangsamt. Verhindern von frühen, schädlichen Erschütterungen Wenn Erschütterungen durch z. B. Strassen-, Bahnverkehr oder Rammarbeiten während des Erstarrens oder des Erhärtens des Betons auftreten, können diese zu Mikrorissen im Zementstein führen oder den Verbund mit der Bewehrung stören. Es wird empfohlen, während der ersten 36 Stunden nach dem Betonieren solche Erschütterungen zu vermeiden. Vermeiden von Ausblühungen Beim raschem Austrocknen des Betons wird das Porenwasser mit den gelösten Salzen kapillar an die Oberfläche des Betons transportiert. Mit dem Verdunsten des Wassers verbleiben die Salze auf der Betonoberfläche, welche als unschöne, meist weisse Flecken sichtbar sind (siehe Kapitel 8.3). Durch das Abdecken des jungen Betons mit einer Plastikfolie kann das Risiko von Ausblühungen verringert werden. 90 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 91

47 3. Vom Frischbeton zum Festbeton 3.6 Nachbehandlung Sicherstellen des Hydratationsgrades in der Betonrandzone Der erreichbare Hydratationsgrad des Betons wird neben der Temperatur und der Betonzusammensetzung insbesondere von dem Feuchtegehalt des Betons bestimmt. Um eine ungestörte Hydratation vor allem im oberflächennahen Bereich zu erreichen, muss eine vorzeitige Austrocknung des Betons verhindert werden. Schutzmassnahmen hierfür sind u. a. das Abdecken des jungen Betons mit Folien oder aber auch das kontinuierliche Besprühen mit Wasser Arten der Nachbehandlung Die optimale Nachbehandlungsart und -dauer hängt hauptsächlich von den Umgebungsbedingungen (Temperatur, Wind, Sonne) ab. In Tabelle wird ein Überblick gegeben. Das Abdecken mit Kunststofffolie (Abb ) ist eine einfache und wirkungsvolle Massnahme, um den Wasserverlust des Betons zu verhindern. Die Folie muss gegen Wind gesichert werden und kann Spuren auf der Betonoberfläche hinterlassen. Auch das Aufsprühen eines Nachbehandlungsmittels (Abb ), üblicherweise auf Paraffinbasis, vermindert die Verdunstung des Wassers. Um wirksam zu sein, muss das Nachbehandlungsmittel auf die mattfeuchte Betonoberfläche aufgebracht werden. Diese Schutzschicht verliert mit der Zeit allmählich an Wirksamkeit und kann Probleme für später aufgebrachte Schichten wie Anstriche oder Hydrophobierungsmittel verursachen. Das Besprühen der Betonoberfläche mit Wasser ist ebenfalls eine häufig angewandte Massnahme. Dabei muss das Wasser fein zerstäubt werden, damit die mattfeuchte Betonoberfläche nicht ausgewaschen wird. Die Massnahme muss ohne Unterbrechung erfolgen, damit kein Temperaturschock durch das kalte Wasser auf der warmen Betonoberfläche entsteht, der zu einer Rissbildung führen könnte Anforderungen an die Nachbehandlung Die Norm SIA 262 definiert vier Nachbehandlungsklassen (NBK) in Abhängigkeit vom Prozentsatz der charakteristischen Druckfestigkeit nach 28 Tagen, der am Ende der Nachbehandlung erreicht sein muss. Diese Klassen müssen vom Planer mit Bezug auf die Umwelteinwirkungen auf das Bauwerk spezifiziert werden. Tabelle gibt einen näherungsweisen Zusammenhang zwischen den Expositionsklassen und den Nachbehandlungsklassen an. Die Entwicklung der Druckfestigkeit des Randbetons kann nach den in Kapitel aufgeführten Verfahren bestimmt werden. Wenn keine Ergebnisse zum eingesetzten Beton verfügbar sind, erlaubt die Tabelle die einfache Bestimmung der minimalen Nachbehandlungsdauer in Abhängigkeit von der gewählten Nachbehandlungsklasse, der Betonoberflächentemperatur und der Festigkeitsentwicklung des Betons bei 20 C. Eine Messung der Umgebungstemperatur im Schatten um 7.00 Uhr morgens kann alternativ zur Betonoberflächentemperatur verwendet werden. Sofern keine genauen Ergebnisse der Festigkeitsentwicklung zum eingesetzten Beton aufgrund von Berechnungen mit geeigneten Rechenansätzen (verlässliche Schätzwerte) vorliegen und bei der Ausführung keine ent sprechenden Prüfungen vorgenommen werden, gelten die Richtwerte der Mindestnachbehandlungsdauer gemäss Tabelle Die Festigkeitsentwicklung eines Betons wird mit r (Verhältnis der mittleren Druckfestigkeit nach 2 und 28 Tagen: r = f cm,2 /f cm,28 ) beschrieben (siehe Tab ). Art und Dosierung von Zusatzmitteln (wie z. B. Beschleuniger und Verzögerer) können diese Werte beeinflussen. Art Massnahmen Lufttemperatur [ C] mit wasserdampfdichter Folie abdecken/ Nachbehandlungsmittel (NB-Mittel) aufsprühen Anforderungen Umwelteinwirkungen Entsprechende Expositionsklasse Tab : Spezifikation der Nachbehandlungsklasse in Abhängigkeit vom Anforderungsniveau. Nachbehandlungsklasse (NBK) Erforderlicher Prozentsatz der charakteristischen Druckfestigkeit nach 28 Tagen bei Ende der Nachbehandlung keine NBK 1 1) normal keine Anforderungen an die Dichtigkeit z. B. XC2 NBK 2 35 % erhöht der Witterung ausgesetzt z. B. XC4 NBK 3 50 % hoch + mit Wasser benetzen + Wärmedämmung mit Wasser benetzen/ fluten Abdecken oder NB-Mittel aufsprühen und benetzen. Zusätzlich: Holzschalung nässen Stahlschalung vor Sonne schützen freie Betonoberflächen in der Schalung abdecken und benetzen Abdecken oder NB-Mittel aufsprühen, ggf. zusätzliche Massnahmen wie oben Abdecken oder NB-Mittel aufsprühen und Wärmedämmung auflegen 1) Verwendung wärmedämmender Schalung (z. B. Holz) sinnvoll, Stahlschalung mit Dämmmatten abhängen Abdecken und Wärmedämmung auflegen 1) Umschliessung des Arbeitsplatzes (Zelt), ggf. Beheizung (z. B. Heizstrahler) Zusätzlich: Betontemperatur mindestens 3 Tage +10 C halten ständig sichtbarer Wasserfilm auf der Betonoberfläche vorhalten stark exponiertes Bauteil (Frost, Tausalz) mit langer Nutzungsdauer, hoher Abrasions widerstand z. B. XD3, XF4 NBK 4 70 % 1) Für die Nachbehandlungsklasse 1 muss die Nachbehandlungsdauer mindestens 12 Stunden betragen. Dieser Wert gilt sofern das Abbinden des Betons nicht länger als 5 Stunden dauert und die Betontemperatur an der Oberfläche mindestens 5 C beträgt. unter 3 1) Nicht benetzen; Tau-/Regenwasser fernhalten. 2) Bei ungünstigen Bedingungen (z. B. starker Wind) und Expositionsklasssen XD, XF sinnvoll. X 3 bis +5 X +5 bis bis bis +25 (X) 2) X X X (X) X X über 25 X Tab : Nachbehandlungsund Schutzmassnahmen bei verschiedenen Aussentemperaturen. Festigkeitsentwicklung des Betons bei 20 C gemäss Norm SN EN Mindestnachbehandlungsdauer [Tage] 1) schnell mittel langsam sehr langsam r > r > r 0.15 r < 0.15 Tab : Richtwerte für die Mindestnachbehandlungsdauer gemäss der Norm SIA 262. Nachbehandlungsklasse (NBK) Oberflächentemperatur des Betons 3) [ C] T > T > T > T 5 2) spezielle Anforderungen sind zu definieren Abb : Abdecken einer Betondecke mit Kunststofffolie. Abb : Aufsprühen eines Nachbehandlungsmittels. 1) Bei mehr als 5 Stunden Verarbeitungszeit, ist die Nachbehandlungsdauer angemessen zu verlängern. 2) Bei Temperaturen < 5 C, ist die Nachbehandlungsdauer um die Zeitspanne zu verlängern, während der die Temperatur um < 5 C lag. 3) Alternative: Lufttemperatur um 7.00 Uhr morgens gemessen im Schatten. 92 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 93

48 3. Vom Frischbeton zum Festbeton 3.6 Nachbehandlung Einfluss der Nachbehandlung auf die Festbetoneigenschaften Alle Haupteigenschaften des Festbetons hängen vom Hydratationsgrad des Zementsteins ab und können bei fehlender oder unzureichender Nachbehandlung stark beeinträchtigt werden. Anhand von Beispielen wird der Einfluss einer fehlenden oder unzureichenden Nachbehandlung auf die Druckfestigkeit, die Kapillarität und die Karbonatisierung dargestellt. Druckfestigkeit In Abbildung wird der Einfluss der Nachbehandlungsdauer auf die Druckfestigkeit des Betons der Randzone dargestellt. So weist ein während 7 Tage feucht nachbehandelter Beton eine beinahe doppelt so hohe Festigkeit nach 90 Tagen auf als ein Beton ohne jegliche Nachbehandlung. Ebenso wird bei feuchter Nachbehandlung eine kontinuierliche Festigkeitszunahme sichtbar, die sich nach dem Ende der Nachbehandlung rasch stabilisiert. Bei Bauteilen, die einen hohen Verschleisswiderstand aufweisen sollen, ist die Nachbehandlung von grosser Bedeutung. Die Druckfestigkeit wird durch eine fehlende Nachbehandlung nicht nur im oberflächennahen Bereich, sondern über den gesamten Querschnitt verringert. Die Druckfestigkeit eines Betons (Betonsorte B) wurde an Würfeln mit einer Kantenlänge von 150 mm für 2 Lagerungsbedingungen (I und II) bestimmt (Tab ). Bei der Lagerungsart I wurde der Beton bis zum 28. Tag normgerecht bei einer Temperatur von 20 C und ohne Wasserverlust gelagert (sehr gute Nachbehandlung). Für die Lagerungsart II wurde der Beton bei einer Temperatur von 30 C und anschliessend an der Luft bei einer Temperatur von 20 C bis zum 28. Tag gelagert (schlechte Nachbehandlung). Die Druckfestigkeit nach 28 Tagen des Betons mit schlechter Nachbehandlung liegt im Mittel um 6 N/mm 2 tiefer als die Druckfestigkeit des Betons mit sehr guter Nachbehandlung, was näherungsweise einer Druckfestigkeitsklasse entspricht. Diese Differenz ist bei den Druckfestigkeiten nach 90 Tagen mit 10 N/mm 2 noch grösser. Der Beton mit sehr guter Nachbehandlung zeigt zwischen 28 und 90 Tagen eine Druckfestigkeitssteigerung von 16 %, wohingegen der Zuwachs des Betons mit schlechter Nachbehandlung sehr gering ist. Dieses Ergebnis zeigt die Wichtigkeit der normgerechten Lagerung von Probekörpern auf und sollte insbesondere bei auf der Baustelle hergestellten Probekörpern eingehalten werden. Kapillarität Die Kapillarität eines Betons (Betonsorte B) wurde für drei praxisnahe Lagerungsbedingungen (III und IV) bestimmt (Tab ). Bei der Lagerungsart III wurde der Beton nach dem Betonieren für 1 Tag mit einer Folie abgedeckt und bis zum 28. Tag bei einer Temperatur von 20 C und einer relativen Luftfeuchtikeit r. F. von 85 % gelagert (gute Nachbehandlung). Für die Lagerungsart IV wurde der Beton nicht mit Folie abgedeckt, sondern für 8 Stunden einem starken Luftzug ausgesetzt. Anschliessend wurde der Beton bis zum 28. Tag an der Luft bei einer Temperatur von 20 C und 40 % r. F. gelagert (keine Nachbehandlung). Beton mit guter Nachbehandlung zeigt ein gleichmässiges Eindringen der Wasserfront im Mittel von 12.6 mm über die gesamte Probenhöhe. Beim Beton mit keiner Nachbehandlung ist die mittlere Eindringtiefe um ca. 5 mm grösser. Die maximale Wassereindringtiefe ist beim Beton ohne Nachbehandlung mit 25 mm jedoch wesentlich grösser als beim Beton mit guter Nachbehandlung und liegt damit fast auf Höhe der Bewehrung, wodurch die Gefahr einer Bewehrungskorrosion zunimmt (siehe Kapitel 3.10). Lagerungsart Probe nach Versuchsende Kapillare Eindringtiefe Serie III Nachbehandlung mit Folie direkt nach dem Betonieren und anschliessende Lagerung in der Klimakammer (T = 20 C, r. F. = 85 %) Serie IV keine Nachbehandlung mit Folie, Lagerung nach Herstellung während 8 h in starkem Luftzug, anschliessend Luftlagerung (T = 20 C, r. F. = 40 %) Lagerungsart Serie III Nachbehandlung mit Folie direkt nach dem Betonieren und anschliessende Lagerung in der Klimakammer (T = 20 C, r. F. = 85 %) Serie IV keine Nachbehandlung mit Folie, Lagerung nach Herstellung während 8 h in starkem Luftzug, anschliessend Luftlagerung (T = 20 C, r. F. = 40 %) Wassereindringrichtung Natürliche Karbonatisierung nach 90 Tagen Karbonatisierung Die Karbonatisierung eines Betons (Betonsorte B) wurde für die beiden praxisnahen Lagerungsbedingungen (III und IV) wie für die Kapillarität bestimmt. Die Lagerung erfolgte allerdings bis zum 90. Tag (Tab ). max. = 14.0 mm mittel = 12.6 mm max. = 25.0 mm mittel = 17.7 mm Schnellkarbonatisierung nach 9 Tagen Tab : Kapillarität von gut nachbehandeltem Beton und Beton ohne Nachbehandlung und mit ungünstigen Lagerungsbedingungen. Tab : Karbonatisierung von gut nachbehandeltem Beton und Beton ohne Nachbehandlung und mit ungünstigen Lagerungsbedingungen. Abb : Einfluss des Feuchthaltens auf die Festigkeitsentwicklung des Betons in der oberflächennahen Zone (0 10 mm). Relative Druckfestigkeit [%] dauerndes Feuchthalten Feuchthalten bis 7 Tage ohne Feuchthalten Prüfalter [Tage] Lagerungsart Serie I 3 Tage Klimakammer (T = 20 C; r. F. = 85 %), Ausschalen nach 3 Tagen, anschliessend Wasserlagerung bei T = 20 C Serie II 3 Tage Klimakammer (T = 30 C, r. F. = 85 %), Ausschalen nach 3 Tagen, anschliessend Luftlagerung (T = 20 C, r. F. = 40 %) Druckfestigkeit nach 28 Tagen [N/mm 2 ] 36.0 (100 %) 30.2 (84 %) nach 90 Tagen [N/mm 2 ] 41.9 (116 %) 31.7 (88 %) Tab : Würfeldruckfestigkeit nach 28 Tagen und 90 Tagen für einen Beton (Betonsorte B) mit 2 unterschiedlichen Nachbehandlungsarten. Die Karbonatiserungstiefe des Beton wurde nach einer natürlichen Karbonatisierung (0.03 % CO 2 ) im Alter von 90 Tagen und nach einer anschliessenden Schnellkarbonatisierung mit 100 % CO 2 nach 9 Tagen bestimmt. Die Schnellkarbonatisierung nach 9 Tagen entspricht einer natürlichen Karbonatisierung nach ca. 75 Jahren. Bereits nach 90 Tagen und noch vor Beginn der Schnellkarbonatisierung ist ein deutlicher Einfluss der Nachbehandlungsart feststellbar. Beton mit guter Nachbehandlung zeigt eine Karbonatisierungstiefe von 1 bis 2 mm, während Beton ohne Nachbehandlung eine mittlere Karbonatisierungstiefe von 7.5 mm aufweist. Nach der Schnellkarbonatisierung zeigen sich die Auswirkungen einer fehlender Nachbehandlung noch deutlicher. Die Karbonatisierungstiefe liegt für den Beton ohne Nachbehandlung im Mittel bei 35 mm. 94 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 95

49 3. Vom Frischbeton zum Festbeton 3. Vom Frischbeton zum Festbeton 3.7 Betonieren bei extremer Witterung 3.7 Betonieren bei extremer Witterung Beispiel 19: Berechnung der Temperatur des Zugabewassers Für einen Frischbeton, dessen Temperatur beim Betonieren im Winter etwa 20 C betragen soll, wird die erforderliche Temperatur des Zugabewassers berechnet. Die Temperatur von Zement und Gesteinskörnung betragen 5 C. Relative Druckfestigkeit [%] nach 28 Tagen Abb : Entwicklung der Druckfestigkeit von Beton nach 1 Tag und nach 28 Tagen in Abhängigkeit der Temperatur Frischbetontemperatur Die Frischbetontemperatur beeinflusst das Ansteifen und Erstarren und damit die Verarbeitbarkeit des Frischbetons. Von besonderer Bedeutung ist die Frischbetontemperatur sowohl bei warmer Witterung und bei Hitze als auch bei kühler Witterung und bei Frost. Die Frischbetontemperatur kann aus der Masse, der Temperatur T und der Wärmekapazität c der einzelnen Ausgangsstoffe berechnet werden: Den grössten Einfluss auf die Betontemperatur hat die Temperatur der Gesteinskörnung. Die Zementtemperatur und das Wasser haben einen relativ geringen Einfluss (Beispiel 18). Eine Änderung der Frischbetontemperatur um 1 K für einen praxisüblichen Beton wird erreicht, wenn: die Temperatur der Gesteinskörnung um ca. 1.6 K verändert wird oder die Wassertemperatur um 4 K oder die Zementtemperatur um 10 K. T T W = b,fr 0.1 T Z 0.7 T g = T W = 80 C Die Temperatur des Zugabewassers muss zum Erreichen des geforderten Frischbetontemperatur etwa 80 C betragen. Wasser mit einer Temperatur von über 70 C sollte zuerst mit der Gesteinskörnung gemischt werden, bevor der Zement dem Mischer zugegeben wird. Der Zement würde ansonsten zu schnell erstarren nach 1 Tag Temperatur [ C] z c T b,fr = z T + g c T + w c T z g g w w z c z + g c g + w c w z Zementgehalt [kg/m 3 ] g Gehalt an Gesteinskörnung [kg/m 3 ] w Wassergehalt [kg/m 3 ] c z spez. Wärmekapazität des Zements [kj/(kg K)] (Rechenwert: 0.84 kj/(kg K)) c g spez. Wärmekapazität der Gesteinskörnung [kj/(kg K)] (Rechenwert: 0.84 kj/(kg K)) c w spez. Wärmekapazität des Wassers [kj/(kg K)] (Rechenwert: 4.19 kj/(kg K)) T z Temperatur des Zements [ C] T g Temperatur der Gesteinskörnung [ C] T w Temperatur des Wassers [ C] T b, fr Temperatur des Frischbetons [ C] Gl Vereinfachend und mit ausreichender Genauigkeit kann die Frischbetontemperatur mit nachfolgender Näherungsformel berechnet werden: T b,fr = 0.1 T z T g T w Gl Üblicherweise werden die absolute Temperatur eines Bauteils in C angegeben, hingegen Temperaturänderungen in Kelvin (K). Der Einfachheit halber entspricht bei den oben aufgeführten Berechnungen 1 C = 1 K. Beispiel 18: Berechnung der Frischbetontemperatur Ein Beton besteht aus 300 kg Zement mit T Z = 35 C, 1950 kg Gesteinskörung (trocken) mit T g = 15 C und 150 kg Zugabewasser mit T W = 12 C. Die Frischbetontemperatur beträgt nach Gl : T b,fr = = 16.3 C oder nach Gl : T b,fr = = 16.4 C Massnahmen zum Senken der Frischbetontemperatur schattiges Lagern der Gesteinskörnung oder Kühlen des Grobkieses durch Besprühen mit Wasser (siehe Kapitel 7.8) Verwenden von Zugabewasser mit Scherbeneis (die Zugabewassermenge ist entsprechend zu reduzieren) Kühlen der Betonmischung oder einzelner Ausgangsstoffe mit flüssigem Stickstoff Parkieren der Fahrzeuge im Schatten Massnahmen zum Erhöhen der Frischbetontemperatur (siehe Beispiel 19) Erwärmen des Zugabewassers (Warmwasser) Erwärmen der Gesteinskörnung Betonieren bei warmer Witterung Erhöhte Frischbetontemperaturen > 25 C beeinträchtigen die Frisch- und Festbetoneigenschaften im Vergleich zu Frischbetontemperaturen von 15 C bis 20 C. Wesentliche Gründe hierfür sind: Die mit zunehmender Temperatur schneller verlaufende Zementhydratation bewirkt ein rascheres Ansteifen des Betons, wodurch die Verarbeitungszeit verkürzt wird. Je höher die Temperatur während des Erhärtungsvorgangs ist, desto schneller findet die Zementhydration statt. Für die Entwicklung der Druckfestigkeit ist dies anfänglich positiv. Da sich die Hydratationsprodukte jedoch heterogener ausbilden und verteilen, z. B. kürzere Ettringitnadeln, wird der Zementstein gröber und poröser. Auf Grund dessen ist die Druckfestigkeit nach 28 und mehr Tagen niedriger als bei einem Frischbeton, der bei ca. 20 C erhärtet. Erfahrungen zeigen, dass der Festigkeitsverlust nach 28 Tagen ca. 10 % beträgt, wenn die Frischbeton- und Erhärtungstemperaturen von 20 C auf 30 C erhöht werden (Abb ). Dauernde Lagerungen bei Temperaturen deutlich über 20 C erhöhen zwar beträchtlich die Frühfestigkeit, senken aber die Druckfestigkeit nach 28 Tagen. Bei geringen Temperaturen ist der Einfluss umgekehrt. Nach der Norm SIA 262 sind besondere Schutzmassnahmen zu treffen wenn die Frischbetontemperatur 30 C überschreitet. Diese Schutzmassnahmen müssen bereits die Planung und Vorbereitung der Betonarbeiten umfassen und sollten bis zum Ende der Nachbehandlung reichen, z. B.: Verschieben des Betonierens auf eine kühlere Tageszeit (frühe Morgenstunden). Verwendung von Abbindeverzögerern, die die Zementhydratation verzögern und die Offenzeit verlängern. Hierbei ist zu beachten, dass sie wenig wirksam sind gegen vorzeitiges Ansteifen durch Austrocknen des Betons und ihr Einsatz eine verlängerte Nachbehandlungsdauer erfordert. Berücksichtigen der Transportzeit des Betons in Form eines Konsistenzvorhaltemasses in der Produktion. Einbringen und Verdichten Schnellstmögliche Verarbeitung des Frischbetons Das Baustellenpersonal ist mit den Besonderheiten und Anforderungen des Betonierens bei hohen Temperaturen vertraut zu machen. Wenn der Beton nicht ausreichend gut verarbeitbar ist, sollte von einer nachträglichen Wasserzugabe abgesehen und mit Fliessmittel die Konsistenz verbesssert werden. 96 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 97

50 3. Vom Frischbeton zum Festbeton 3.7 Betonieren bei extremer Witterung 28-Tage-Druckfestigkeit [N/mm 2 ] Abb : Thermomatten schützen den jungen Beton vor Wasserverlust und Abkühlung. Sommerloch Im Sommerhalbjahr kann aufgrund der erhöhten Temperaturen ein Abfall der durchschnittlichen 28-Tage- Betondruckfestigkeit von bis zu 10 N/mm 2 festgestellt werden das sogenannte Sommerloch, während die Verarbeitbarkeit über den betrachteten Zeitraum nahezu konstant bleibt (Abb ). Verdichtungsmass nach Walz März April Mai Juni Juli Aug.. Sept. Okt. Abb : Typische Druckfestigkeits- und Verarbeitbarkeitsstatistik während des Sommerhalbjahrs. Daten aus der Qualitätssicherung eines Transportbetonwerks. Der Druckfestigkeitsverlust bei erhöhten Temperaturen kann aber auf der Baustelle noch zusätzlich erhöht werden, wenn die Verarbeitbarkeit durch eine nachträgliche Wasserzugabe verbesssert wird und/oder die Probekörper nicht normgerecht gelagert werden. Das Sommerloch kann in der Regel vermieden werden, wenn die Betonzusammensetzung angepasst wird, hohe Frischbetontemperaturen und damit auch eine nachträgliche Wasserzugabe vermieden werden, sowie eine Lagerung der Prüfkörper bei einer Temperatur von 20 C sichergestellt wird. Beispiel 20: Abschätzen des Druckfestigkeitsverlustes durch nachträgliche Wasserzugabe und nicht normgerechte Lagerung der Probekörper Verringerung der Ausgangskonsistenz a 0 eines Betons um ca. a = mm bei einer Temperaturerhöhung von T = 20 C auf T = 30 C Konsistenzverlust des Frischbetons über die Zeit wird für beide Temperaturen als annähernd konstant angenommen. Konsistenzverbesserung durch zusätzliche Wasserzugabe (siehe Tab ) a = 40 mm w = +20 l/m 3 Druckfestigkeitsverlust nach 28 Tagen (siehe Tab und Abb ) w = +20 l/m 3 f c,cube = 8 N/mm 2 Lagerung der Probekörper auf der Baustelle nicht normgerecht (siehe Kapitel 3.6.4) f c,cube = 6 N/mm 2 Faustregel 10 Liter mehr Wasser pro m 3 Beton verursachen einen 28-Tage-Druckfestigkeitsverlust von bis zu 5 N/mm Betonieren bei kalter Witterung Tiefe Temperaturen bewirken eine Verzögerung des Erstarrens und der Festigkeitsentwicklung sowie die Gefahr des Gefrierens von ungebundenem Wasser im Beton. Verlangsamen des Erstarrens und der Festigkeits- und E-Modulentwicklung Das Erstarren verlangsamt sich mit abnehmender Temperatur, wodurch der Beton längere Zeit verarbeitbar bleibt, aber auch gefrierempfindlicher ist. In Abbildung ist die Festigkeitsentwicklung für Betone bei unterschiedlichen Temperaturen dargestellt. Bei einer tiefen Temperatur von 5 C ist die Frühfestigkeit nach 2 und 7 Tagen nur etwa halb so gross wie bei dem gleichen Beton und einer Temperatur von 20 C. Mit zunehmender Zeit gleichen sich die Kurven der Festigkeitsentwicklungen an, jedoch bleibt die Druckfestigkeit des durchgehend bei 5 C gelagerten Betons auch nach 28 Tagen unter jener des bei 20 C gelagerten Betons und erreicht erst nach 50 bis 90 Tagen eine vergleichbare Festigkeit wie bei der 20 C Lagerung. Relative Druckfestigkeit [%] C +5 C Zeit [Tage] Abb : Festigkeitsentwicklung von Beton in Abhängigkeit der Temperatur. Gefrieren des jungen Betons Beton muss vor dem Gefrieren geschützt werden, bis er eine Druckfestigkeit von mindestens 5 N/mm 2 erreicht hat. Diese Festigkeit wird auch als Gefrierbeständigkeit des Betons bezeichnet. Das ein bis zweimalige Durchfrieren eines Betons wirkt sich in der Regel noch nicht schädigend auf das Betongefüge aus. Jedoch führen ständige Frost-Tauwechsel durch den dabei entstehenden Eisdruck beim jungen Beton zu einer erheblichen Schädigung des Betongefüges. Ein so geschädigter Beton ist nicht mehr tragfähig und muss entfernt werden. Abbildung zeigt in Abhängigkeit von Zementart, Zementfestigkeitsklasse, w/z-wert und Betontemperatur, wieviele Stunden der Beton erhärten muss, damit eine Gefrierbeständigkeit 5 N/mm 2 erreicht wird. Für einen Beton der Betonsorte A (w/z = 0.65, CEM 42,5) beträgt w/z-wert [-] C +20 C +5 C Zeit [h] CEM 42,5 CEM 52,5 Abb : Erforderliche Zeit zum Erreichen der Gefrierbeständigkeit des Betons (Betondruckfestigkeit 5 N/mm 2 ) in Abhängigkeit vom w/z-wert bei verschiedenen Betontemperaturen und Zementarten. +5 C diese Zeit bei einer Temperatur von 5 C ca. 100 Stunden. Während ein Beton der Betonsorte C (w/z = 0.5, CEM 42,5) nach 50 Stunden die geforderte Festigkeit erreicht. Kühle Witterung erfordert deshalb zusätzliche Massnahmen bei der Herstellung und dem Einbau von Beton. Nach der Norm SIA 262 darf ohne besondere Massnahmen die Temperatur des Frischbetons beim Einbringen +5 C nicht unterschreiten. Massnahmen bei der Betonherstellung Schon bei der Betonherstellung kann die bei kühler Witterung erforderliche Festigkeits- und Wärmeentwicklung durch folgende Massnahmen günstig beeinflusst werden: Erhöhung der Frischbetontemperatur durch gezielte Erwärmung des Zugabewassers und/oder Erwärmung der Gesteinskörnung (Gesteinskörnung darf keine gefrorenen Bestandteile aufweisen.) Verwenden von Zement mit hoher Festigkeitsklasse (Normo 5R) Beschleunigen der Festigkeitsentwicklung durch den Einsatz eines Erhärtungsbeschleunigers (HBE) und das Erhöhen des Zementgehalts Verringern des w/z-werts durch Einsatz eines Fliessmittels (FM) Massnahmen auf der Baustelle Das Betonieren bei niedrigen Aussentemperaturen erfordert auch auf der Baustelle entsprechende Schutzmassnahmen: Es darf weder auf gefrorenem Baugrund noch auf gefrorenen Bauteilen betoniert werden; gegebenenfalls ist eine Opferschicht vorzusehen. Wenn die Temperatur der Bewehrung unter 1 C liegt, ist mit Hilfe von Wärmezufuhr dafür zu sorgen, dass sich während des Betonierens an der Oberfläche keine Eisschicht bildet, die den Verbund beeinträchtigt. Der vorgewärmte Beton ist zügig in die von Schnee und Eis befreite Schalung einzubauen und sofort zu verdichten. Unmittelbar nach dem Einbringen muss der Beton vor Wärmeverlust und Luftzug geschützt werden. Damit wird die eigene Wärmeentwicklung durch die Zementhydratation aufrechterhalten. Die einfachste Lösung sind Holzschalungen mit dämmenden Eigenschaften. Frisch ausgeschalte Bauteile sind mit Thermomatten abzudecken (Abb ). Während der Erhärtungszeit muss der Beton nicht nur vor Wärmeverlust, sondern auch vor Feuchtigkeitsverlust geschützt werden, weil bei kaltem und/oder trockenem Wetter der Feuchtigkeitsgehalt der Luft sehr gering ist. Die Ausschalfristen sind zu verlängern. Sinkt die Betontemperatur während des Erhärtens zeitweise unter den Gefrierpunkt, sind die Ausschalfristen mindestens um die Anzahl der Frosttage zu verlängern. 98 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 99

51 3. Vom Frischbeton zum Festbeton 3.8 Mechanische Eigenschaften des Festbetons Tab : Druckfestigkeit für die wichtigsten Baustoffe. 3.8 Mechanische Eigenschaften des Festbetons Druckfestigkeit Allgemeines Die Festigkeit ist die auf eine Fläche bezogene Widerstandskraft. Dementsprechend beschreibt die Druckfestigkeit die vom Beton ertragbare Druckbeanspruchung. Sie stellt die wesentliche, häufig sogar die einzige geforderte Eigenschaft eines Festbetons dar. Je nach Zusammensetzung des Betons kann die Druckfestigkeit sehr geringe Werte, ähnlich wie Ziegelstein oder Weichholz, oder sehr hohe Werte, vergleichbar mit üblichem Baustahl, erreichen (Tab ). Material Druckfestigkeit [N/mm 2 ] Ziegelstein Weichholz Hartgestein Mörtel 5 25 Beton Hochfester Beton Ultrahochleistungs - faser beton wird die Druckfestigkeit durch die Verarbeitung sowie die Nachbehandlung des Betons beeinflusst (siehe auch Kapitel 3.3 bis 3.7). Prüfung der Druckfestigkeit Die Druckfestigkeit von Beton wird in der Regel an gesondert hergestellten Prüfkörpern, z. B. Würfel, Zylinder oder Prismen, oder Bohrkernen bestimmt und ist abhängig von: Schlankheit des Prüfkörpers, Verhältnis Höhe (h) zu Breite (b) oder Durchmesser (d) Belastungsgeschwindigkeit Prüfkörpergrösse (Verhältnis zum Grösstkorn) Feuchtigkeitsgehalt und Planparallelität der Prüfkörper In der Schweiz erfolgt die Prüfung nach SN EN in der Regel an einem Würfel mit der Kantenlänge von 150 mm (Abb ). Die Würfel werden 1 Tag in der Schalung und 27 Tage im Wasser bei einer Temperatur von 20 C gelagert. Die Festigkeit bei der Prüfung im Alter von 28 Tagen gilt als Bezugswert. Diese Festigkeit ist massgebend für die Einordnung in eine Festigkeitsklasse (Tab ). In Abbildung ist das typische Bruchbild eines Würfels dargestellt. Prüfkörper mit einer Schlankheit h/d > 1 wie Zylinder oder Prismen ergeben geringere Druckfestigkeiten als jene mit einer Schlankheit h/d = 1 wie Würfel. Die höheren Druckfestigkeiten gedrungener Prüfkörper beruhen im Wesentlichen auf einer grösseren Behinderung der Querdehnung durch die Druckplatten der Prüfmaschine. In Abbildung wird der Einfluss der Prüfkörperschlankheit auf die Druckfestigkeit dargestellt. Bei einer Schlankheit grösser als 2 verschwindet der Einfluss der behinderten Querdehnung auf die gemessene Druckfestigkeit. Die Auswirkungen der behinderten Querdehnung hängen direkt von der Querdehnung (Querdehnungszahl) des untersuchten Betons ab. Das Verhältnis von 0.80 zwischen der Zylinder- und der Würfeldruckfestigkeit gilt nur für einen Beton, der mit üblicher Gesteinskörnung hergestellt wurde. Bei Leichtbeton steigt das Verhältnis auf ca a) Lasteinleitung durch direkten Kontakt der Prüfplatte mit dem Probekörper mit Querdehnungsbehinderung. Zylinder h/d = 2 150mm F F 200mm b) Lasteinleitung durch Druckstreben, die die Querdehnung nicht behindern. Der Probekörper kann sich in Querrichtung frei verformen. Würfel h/b = 1 Regelfall 150mm 100mm Relative Druckfestigkeit [%] F F Abb : Querzugspannung (rot) und Druckspannungen (blau) in einem Betonwürfel bei der Druckfestigkeitsprüfung. Abb : Einfluss der Prüfkörperschlankheit auf die gemessene Druckfestigkeit. Die Druckfestigkeit eines Betons wird im Wesentlichen von den Eigenschaften des Zementsteins, der Gesteinskörnung und vom Verbund zwischen den Gesteinskörnern und dem Zementstein bestimmt (siehe auch Kapitel 2.3.1). Bei geringem Verbund, z. B. durch die Verwendung ungewaschener Gesteinskörner, stellt diese Übergangszone eine Schwachstelle dar, die sich negativ auf die mechanischen Eigenschaften des Betons auswirkt. Im Gegensatz dazu bewirken der Einsatz von gebrochener Gesteinskörnung oder die Verwendung von sehr feinen reaktiven Zementzusatzstoffen, wie Silikastaub oder gebranntem Schiefer, eine deutliche Verbesserung des Verbunds zwischen dem Gesteinskorn und dem Zementstein und damit eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des Betons (Abb ). Für einen Beton mit hoher Festigkeit sind eine hohe Packungsdichte in der Übergangszone zwischen Gesteinskorn und Zementstein und die Verwendung von hochwertigen, druckfesten Gesteinskörnern unabdingbare Voraussetzungen (siehe auch Kapitel 7.2). Neben der Betonzusammensetzung Bei der Prüfung eines Würfels ohne Zwischenschichten ist eine freie Querdehnung nur ausserhalb der unter Querdruck stehenden Doppelpyramide möglich. Der Beton bricht durch Zug-Scherspannungen entlang des Pyramidenrandes, die Doppelpyramide bleibt stehen (Abb a). Wird die Querdehnungsbehinderung durch Zwischenschichten oder bürstenartige, schlaffe Druckplatten aufgehoben, bricht der Beton durch Querzugspannungen und reisst in einzelne Pfeiler auf (Abb b). Abb : Prüfung der Druckfestigkeit am Würfel. Abb : Bruchbild eines Würfels. 100 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 101

52 3. Vom Frischbeton zum Festbeton 3.8 Mechanische Eigenschaften des Festbetons Abb : Statistische Verteilung der Druckfestigkeit. Streuung der Druckfestigkeit Bei der Prüfung kann eine Streuung der Ergebnisse der Druckfestigkeit beobachtet werden. Die statistische Verteilung der Prüfergebnisse folgt in der Regel einer Gauss schen Normalverteilung, welche durch den Mittelwert f cm und die zugehörige Standardabweichung σ beschrieben wird (Abb ). Häufigkeitsverteilung [-] 5%-Fraktile 95%-Fraktile Dieser Zusammenhang beruht auf statistischen Kriterien, die eine unendliche Anzahl von Messwerten annehmen. Er kann vom Planer im Rahmen der Bemessung angewendet werden, gilt aber nicht für die Konformitätsprüfung im Herstellwerk und für die Identitätsprüfung auf der Baustelle. Abschätzung der Druckfestigkeit nach 28 Tagen Der semi-empirische Ansatz von Bolomey erlaubt die Abschätzung der Druckfestigkeit nach 28 Tagen. Aus gemessenen Mörteldruckfestigkeiten (Zementdruckfestigkeiten nach der Norm SN EN 196-1) werden die entsprechenden Betondruckfestigkeiten mit weiteren Korrekturfaktoren berechnet. Wenn keine Prüfresultate vorliegen oder für die Entwicklung einer neuen Betonzusammensetzung kann die zu erwartende Druckfestigkeit mit Gleichung ermittelt werden. Optimo 4 Robusto 4R-S Normo 4 Normo 5R Portlandkompositzement Portlandkompositzement Portlandzement Portlandzement CEM II/B-M (T-LL) 42,5 N CEM II/B-M (S-T) 42,5 R CEM I 42,5 N CEM I 52,5 R Betondruckfestigkeit im Alter von 28 Tagen [N/mm²] w/z-wert Betondruckfestigkeit im Alter von 28 Tagen [N/mm²] w/z-wert Betondruckfestigkeit im Alter von 28 Tagen [N/mm²] w/z-wert Betondruckfestigkeit im Alter von 28 Tagen [N/mm²] w/z-wert Abb : Würfeldruckfestigkeit in Abhängigkeit vom w/z-wert für Zemente unterschiedlicher Festigkeitsklassen (Alter 28 Tage, normgerechte Herstellung und Lagerung bei 20 C) Druckfestigkeit [N/mm 2 ] Bisolvo 3R Albaro 5R Fortico 5R Modero 3B Mittelwert f cm = x i n z f c = K g f nc 0.5 W e ff + P Portlandkompositzement Weisser Portlandzement Portlandsilikastaub zement Hochofenzement CEM II/B-M (V-LL) 32,5 R CEM I 52,5 N CEM II/A-D 52,5 R CEM III/B 32,5 N-LH/SR Standardabweichung σ = (x i f cm ) 2 (n 1) x i Einzelwerte der Druckfestigkeit [N/mm 2 ] n Anzahl der Messwerte [-] Für die Berechnung von Tragwerken wird ein eindeutiger Referenzwert für die Druckfestigkeit festgelegt. In der Norm SIA 262 wird der charakteristische Wert f ck, der der 5 %-Fraktile entspricht, verwendet. Dies bedeutet, dass bei einer unendlichen Anzahl von Prüfergebnissen der Druckfestigkeit 5 % der Werte kleiner und 95 % der Prüfergebnisse grösser als f ck sind. Diese 5 %-Fraktile dient in der Norm SIA 262 als Basis zur Definition der Druckfestigkeitsklassen des Betons. Die Druckfestigkeitsklasse C30/37 bedeutet z. B.: 30 N/mm 2 : charakteristische Zylinderdruckfestigkeit (5 %-Fraktile) 37 N/mm 2 : charakteristische Würfeldruckfestigkeit (5 %-Fraktile) Der Fraktilwert lässt sich mit Hilfe des für alle Gauss schen Normalverteilungen gültigen Faktors k ermitteln. Für den 5 % Fraktilwert ist k = Bei Annahme einer Standardabweichung von σ = 4.8 N/mm 2 gilt der folgende Zusammenhang zwischen Mittelwert und charakteristischem Wert der Zylinderdruckfestigkeit: f c Würfeldruckfestigkeit [N/mm 2 ] K g Beiwert zur Berücksichtigung der verwendeten Gesteinskörnung [-] Für Gesteinskörnungen aus dem Schweizer Mittelland nimmt K g Werte zwischen 0.60 für runde Gesteins körnung und 0.80 für gebrochene Gesteinskörnung an. f nc Mörteldruckfestigkeit nach SN EN [N/mm 2 ] In erster Näherung können 40, 50 und 60 N/mm 2 für Zemente der Festigkeitsklassen 32,5; 42,5 und 52,5 angenommen werden. Z Zementgehalt [kg/m 3 ] W eff Wirksamer Wassergehalt [l/m 3 ] P Luftporengehalt [l/m 3 ]. Der Luftporengehalt liegt üblicherweise zwischen 5 und 25 l/m 3. Gl Gleichung ist für Normalbetone mit einem w/z- Wert von 0.40 bis 0.65 anwendbar. Für Betone, deren mittlere Würfeldruckfestigkeit 70 N/mm 2 übersteigt, kann die Gesteinskörnung als schwächstes Glied massgebend werden und die Formel nach Bolomey verliert ihre Gültigkeit. Eine andere Möglichkeit bieten die Kurvenbänder nach Walz (Abb ). Sie erlauben eine rasche Abschätzung der Würfeldruckfestigkeit eines Betons nach 28 Tagen in Abhängigkeit vom w/z-wert und für Zemente unterschiedlicher Zementfestigkeitsklassen. Betondruckfestigkeit im Alter von 28 Tagen [N/mm²] w/z-wert Festigkeitsentwicklung Unter der Festigkeitsentwicklung wird die Zunahme der Festigkeit mit zunehmendem Alter des Betons verstanden. Sie ist von Bedeutung für Ausschalfristen, die Dauer der Nachbehandlung, das Aufbringen der Vorspannung, den Bauablauf und den Belastungszeitpunkt. Sie wird beschrieben, indem die Festigkeit zu ausgewählten Zeitpunkten, z. B. 2, 7, 28, 56, 90 und 180 Tage, auf die 28- Tage Druckfestigkeit bezogen wird. In Tabelle ist die Festigkeitsentwicklung von Beton bei einer Temperatur von 20 C in Abhängigkeit des Schätzwertes vom Festigkeitsverhältnis gemäss SN EN aufgeführt. Das Festigkeitsverhältnis wird aus der mittleren Druckfestigkeit nach 2 Tagen (f c2 ) und der mittleren Druckfestigkeit nach 28 Tagen (f c28 ) gebildet und ist während der Erstprüfung oder auf der Grundlage eines bekannten Verhältnisses von Betonen vergleichbarer Zusammensetzung (z. B. gleicher Zement, gleicher w/z-wert) zu ermitteln. Betondruckfestigkeit im Alter von 28 Tagen [N/mm²] w/z-wert Betondruckfestigkeit im Alter von 28 Tagen [N/mm²] w/z-wert Die Festigkeitsentwicklung wird nicht nur von der Festigkeitsentwicklung des Zements, vom w/z-wert und vom Hydratationsgrad, sondern auch von der aktuellen Einbausituation und den Witterungsverhältnissen beeinflusst. Festigkeitsentwicklung Schnell 0.5 Verhältnis f cm,2 /f cm,28 Mittel 0.3 bis < 0.5 Langsam 0.15 bis < 0.3 Sehr langsam < 0.15 Betondruckfestigkeit im Alter von 28 Tagen [N/mm²] w/z-wert Tab : Festigkeitsentwicklung und Verhältnis der 2d/28d-Druckfestigkeit von Beton bei einer Temperatur von 20 C. f ck = f cm k σ = f cm f cm 8 N/mm 2 Gl Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 103

53 3. Vom Frischbeton zum Festbeton 3.8 Mechanische Eigenschaften des Festbetons Abschätzung der Festigkeitsentwicklung Die technisch einfachste, aber aufwändigste Methode zur Bestimmung der Festigkeitsentwicklung ist die Herstellung von Prüfkörpern, die unter den gleichen Bedingungen gelagert werden, wie der Bauwerksbeton und an denen nach definierten Zeitpunkten die Druckfestigkeit bestimmt wird. Die Festigkeit in einem solchen Prüfkörper ist in der Regel geringer als jene im Bauwerk zum gleichen Zeitpunkt, da sich im Bauwerksbeton das grössere Betonvolumen positiv auf die Festigkeitsentwicklung auswirkt. Für eine Abschätzung der Festigkeitsentwicklung werden auch häufig zerstörungsfreie Prüfungen eingesetzt, bei denen über eine empirische oder physikalische Beziehung von einem Prüfwert auf die Festigkeit geschlossen wird. Detaillierte Schätzungen der Festigkeitsentwicklung des Betons können auf einem der folgenden Verfahren beruhen: Berechnung der Festigkeitsentwicklung aus Temperaturmessungen Berechnung der Festigkeitsentwicklung aus numerischer Simulation Rückprallhammerprüfung an der Betonoberfläche Berechnung der Festigkeitsentwicklung aus Temperaturmessungen Der Einfluss der Temperatur auf die Festigkeitsentwicklung kann näherungsweise durch die Reife bzw. den Reifegrad R erfasst werden. Durch die Messung des Temperaturverlaufs des Bauwerksbetons mittels einbetonierter Thermoelemente kann die Festigkeitsentwicklung unter Berücksichtigung der thermischen Randbedingungen während der Lagerung ermittelt werden. Dazu muss vorab eine Näherung erfolgen, die durch Ermittlung der Festigkeitsentwicklung des Betons bei konstanter Temperatur (üblicherweise 20 C) erfolgt. Anschliessend kann die tatsächliche Festigkeit des Bauwerksbetons mit Hilfe der gewonnenen Zusatzinformationen bestimmt werden. Diese Methode ermöglicht Parameter, die an die Temperatur geknüpft sind, wie Frischbetontemperatur, Umgebungstemperatur, Bauteilgeometrie und Nachbehandlung, zu berücksichtigen. Berechnung der Festigkeitsentwicklung mittels numerischer Simulation Die numerische Simulation läuft nach dem zuvor erläuterten Prinzip ab. Jedoch wird der Temperaturverlauf des Betonquerschnitts nicht gemessen, sondern numerisch simuliert auf Basis der Hydratationswärmeentwicklung des Zements, der Geometrie, der angenommenen Frischbetontemperatur und der Randbedingungen (Nachbehandlung, wärmedämmende Wirkung der Schalung, Umgebungstemperatur). Die numerische Simulation wird nur in Spezialfällen durch Experten durchgeführt. Rückprallhammerprüfung an der Betonoberfläche Die Druckfestigkeit von Beton kann auch mit einem Rückprallhammer bestimmt werden. Das Gerät misst den Rückschlag einer Masse, die auf die Betonoberfläche aufschlägt und erlaubt so auf indirekte Art die Bestimmung der Druckfestigkeit. Die Methode ist einfach und schnell, ermöglicht aber nur eine Schätzung der oberflächennahen Festigkeit des Betons, die zudem einer grossen Streuung unterworfen ist. Zur Abschätzung der Druckfestigkeit ist eine Kalibrierung mit Hilfe von Festigkeitswerten, welche z. B. an Bohrkernen gewonnen werden, notwendig. Eine weitere Möglichkeit, langfristigere Festigkeitsentwicklungen rechnerisch abzuschätzen, stellt die Berechnung der Festigkeitsentwicklung mit Hilfe des Ansatzes aus dem fib CEB Model Code 2010 dar. Die Festigkeitsentwicklung von Normal- und Schwerbetonen kann auf Basis der mittleren Druckfestigkeit nach 28 Tagen abgeschätzt werden. Im zeitabhängigen Beiwert ß cc (Gl ) wird durch Einfügen des Beiwerts s die Festigkeitsklasse des Zements berücksichtigt. Für die Lagerung bei einer Temperatur von 20 C gilt: f cm (t) = ß cc (t) f cm28 Gl ß cc = exp s 1 28 ½ t f cm (t) mittlere Druckfestigkeit zum Zeitpunkt t [N/mm 2 ] f cm28 mittlere Druckfestigkeit nach 28 Tagen [N/mm 2 ] ß cc (t) zeitabhängiger Beiwert t Betonalter [d] s Beiwert zur Berücksichtigung der Zementfestigkeitsklasse: s = 0.20 für CEM 52,5 N, CEM 42,5 R s = 0.25 für CEM 42,5 N und CEM 32,5 R s = 0.38 für CEM 32,5 N Gl Die Ergebnisse der Gleichungen und sind für ausgewählte Betonalter in Tabelle aufgeführt. Sie haben jedoch nur Näherungscharakter, da sie weder die genaue Betonzusammensetzung noch die Einbau- und Nachbehandlungsbedingungen des Betons berücksichtigen. Alter t [d] Auch nach 28 Tagen besitzt Beton noch ein Erhärtungspotenzial. Das Mass dieser Nacherhärtung ist je nach Zementart, Betonzusammensetzung und weiteren Einflussgrössen recht unterschiedlich. Bezogen auf die 28-Tage-Druckfestigkeit ist mit einer umso grösseren Nach erhärtung zu rechnen, je langsamer der Zement erhärtet, je höher die Lagerungsfeuchte und je niedriger die Lagerungstemperatur ist. Objektspezifisch kann der Zeitpunkt, zu dem die gewünschte Festigkeitsklasse erreicht wird, auch später als 28 Tage festgelegt werden. Dies kann bei massigen Bauteilen, bei denen zur Begrenzung der Hydratationswärmeentwicklung eine langsame Festigkeitsentwicklung angestrebt wird, von Vorteil sein Zugfestigkeit Verhältnis f cm (t)/f cm28 s = 0.20 s = 0.25 s = Tab : Festigkeitsentwicklung gemäss fib CEB Model Code Allgemeines Beton weist unter Zugbeanspruchung eine geringe Festigkeit und ein sprödes Bruchverhalten auf. Daher wird die Zugfestigkeit von Beton im Allgemeinen bei den Berechnungen durch den Tragwerksplaner nicht berücksichtigt. Bei Stahlbeton wird eine Bewehrung eingelegt, die die Kräfte in der Zugzone vollständig aufnehmen kann. In einigen Fällen spielt die Zugfestigkeit des Betons für die Tragfähigkeit dennoch eine bedeutende Rolle, z. B. beim Querkraft- oder Durchstanzwiderstand von Platten ohne Bügelbewehrung, bei der Übertragung von Kräften von einem Bewehrungsstab auf den nächsten im Bereich von Überlappungsstössen oder bei der Verteilung von konzentrierten Lasten sowie bei Verbundankern. Zudem ist beim Nachweis des Grenzzustandes der Gebrauchstauglichkeit die Kenntnis der Zugfestigkeit des Betons notwendig, um das Ausmass der Rissbildung in einem Bauteil zu bestimmen. Die Zugfestigkeit hängt zum Teil von den gleichen Einflussgrössen ab, die auch für die Druckfestigkeit massgebend sind, d. h. von den Eigenschaften des Zementsteins und dem Verbund zwischen dem Gesteinskorn und dem Zementstein. Entsprechend nimmt die Zugfestigkeit mit geringerem w/z-wert zu, jedoch deutlich weniger als die Druckfestigkeit. Betone mit gebrochener Gesteinskörnung weisen in der Regel eine um 10 bis 20 % höhere Zugfestigkeit auf als die gleichen Betone mit runder Gesteinskörnung. Versagensart und Bruchlast eines auf Zug belasteten Prüfkörpers werden vorwiegend durch Gefügemerkmale bestimmt wie z. B.: Verdichtungsstörungen schlechter Verbund zwischen Zementstein und Gesteinskorn Mikrorisse im Zementstein und/oder Gesteinskorn Luftporen In den meisten Fällen erfolgt das Versagen unter Zugbelastung mit einem Bruch in der Verbundzone zwischen Zementstein und Gesteinskorn. Die Gesteinskörner werden überwiegend freigelegt (Abb ). Wird die Qualität der Verbundzone verbessert, steigt die Zugfestigkeit deutlich an. Erreicht die Zugfestigkeit das Niveau der Gesteinskörnung, erfolgt der Bruch innerhalb der Gesteinskörner und nicht in der Verbundzone. Abb : Bruchbild nach direkter Zugbelastung eines Prüfkörpers. Versagen in der Verbundzone. 104 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 105

54 3. Vom Frischbeton zum Festbeton 3.8 Mechanische Eigenschaften des Festbetons Abb : Verfahren zur Bestimmung der Zugfestigkeit. Prüfung der Zugfestigkeit Das Verhalten von Beton unter Zugbeanspruchung kann entweder im direkten Zugversuch oder indirekt im Spaltzug- bzw. Biegezugversuch bestimmt werden (Abb ). Prinzip Zentrischer Zug Spaltzugversuch 3-Punkt Biegeversuch T F P Im fib CEB Model Code 2010 wird für die Berechnung der mittleren Zugfestigkeit ab der Druckfestigkeitsklasse C55/67 die folgende Gleichung angegeben: f ctm = 2.12 ln( (f ck + f)) f ctm mittlere Zugfestigkeit [N/mm 2 ] f ck charakteristische Zylinderdruckfestigkeit [N/mm 2 ] f 8 N/mm 2 Druckspannung [N/mm 2 ] Gesteinskörnung Zementstein w/z = 0.4 Mörtel Beton Abb : Spannungs- Dehnungslinie von Zementstein, Gesteins körnung und Beton. Gl T F Empfehlung bzw. Norm RILEM Recommendation CPC7 SN EN SN EN Probekörper Zylinder (auch gekerbt) Zylinder Prisma Wenn die charakteristische Betonzugfestigkeit erforderlich ist, können die 5 %- und 95 %-Fraktile mit 0.7 f ctm und 1.3 f ctm angenommen werden. 20 Tab : Mittlere Zugfestigkeit in Abhängigkeit von der Druckfestigkeitsklasse gemäss Norm SIA 262. Belastung Parameter Versuchsergebnis näherungsweise Korrelation Berechnung der Zugfestigkeit Näherungsweise kann die mittlere Zugfestigkeit f ctm von Normalbeton (mit f ck 50 N/mm 2 ) nach der Norm SIA 262 aus der Druckfestigkeit berechnet werden: 2/3 f ctm = 0.3 f ck f ctm mittlere, direkte Zugfestigkeit [N/mm 2 ] f ck charakteristische Zylinderdruckfestigkeit [N/mm 2 ] Gl zentrischer Zug entlang der Zylinderachse T = Bruchlast (Zug) d = Probendurchmesser f ct = T d π 2 Die mit Gleichung berechneten, mittleren Zugfestigkeiten sind für die Druckfestigkeitsklassen bis C50/60 in Tabelle aufgeführt. 2 Druckbelastung entlang zweier gegenüberliegender Mantellinien F = Bruchlast (Druck) d = Probendurchmesser L = Probenlänge 2 F c = π d L f c, Spaltzug Mittige Einzellast P = Bruchlast (Biegung) h = Probenhöhe b = Probenbreite L = Spannweite M P L 6 c = = W 4 b h 2 f c, Biegung f c, Spaltzug 1.25 f ct f c,biegung 2.0 f ct Richtwerte [N/mm 2 ] Mittelwert der Zugfestigkeit f ctm [N/mm 2 ] Druckfestigkeitsklasse C16/20 C20/25 C25/30 C30/37 C35/45 C40/50 C45/55 C50/ Elastizitätsmodul Allgemeines Ein wichtiges Merkmal eines Materials ist sein Verformungsverhalten, welches in der sogenannten Spannungs-Verformungs (Dehnungs)-Linie abgebildet wird. Der Elastizitätsmodul (E-Modul) eines Materials entspricht dem Verhältnis von Spannung zu Verformung. Je höher der E-Modul ist, umso mehr Kraft ist zur Verformung des Materials notwendig. Wenn das Material linear-elastisch ist, ist der E-Modul eine Konstante und das Material nimmt nach der Be- und Entlastung wieder seine Ausgangslänge ein. Es folgt dann dem sogenannten Hooke schen Gesetz. σ = E ε = E l/l σ Spannung [N/mm 2 ] E E-Modul [N/mm 2 ] ε Dehnung [ ] l Länge des unbelasteten Körpers [mm] l Längenänderung des belasteten Körpers [mm] Gl Die Spannungs-Dehnungslinien von Zementstein und Gesteinskörnung verlaufen annähernd linear. Das Verhalten von Beton ist nur bereichsweise linear-elastisch. Jedoch ist die Verformung bei Beton nicht direkt proportional zur Spannung, sondern steigt mit zunehmender Belastung stärker an. Die Spannungs-Dehnungslinien verlaufen nicht linear, sondern verlaufen flacher je mehr sich die Spannung der Bruchlast nähert. Das nicht-lineare Verhalten von Beton wird mit der Bildung von Mikrorissen in der Übergangszone zwischen Gesteinskörnern und Zementstein erklärt. Im Allgemeinen liegt das Last niveau im Gebrauchszustand jedoch deutlich unterhalb der Bruchlast bzw. des Bereichs, in dem plastische Verformungen auftreten. Im Bereich der Gebrauchsspannungen ist das Verhalten von Beton annähernd linear (Abb ) Längsdehnung ε 1 [%] Der E-Modul von Beton hängt direkt vom Volumenverhältnis und den E-Moduli der Gesteinskörnung und des Zementsteins ab. Mit einem Anteil von ca. 70 Vol.-% stellt die Gesteinskörnung die massgebende Komponente dar. Bei geeigneter Gesteinskörnung liegt der E-Modul zwischen und N/mm 2. Der E-Modul des Zementsteins liegt deutlich tiefer im Bereich von bis N/mm 2. Der E-Modul hat die folgende baupraktische Bedeutung: Ein hoher E-Modul ist z. B. bei biege- oder druckbeanspruchten Bauteilen (Platten, Balken, Stützen) für die Begrenzung der Verformungen von Vorteil. Dagegen ist ein geringer E-Modul z. B. bei aufgezwungenen Verformungen (Stützensenkung, Schwinden, Temperaturschwankungen) vorteilhaft, weil dadurch geringere Zugspannungen und damit ein geringeres Rissrisiko entstehen. 106 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 107

55 3. Vom Frischbeton zum Festbeton 3.8 Mechanische Eigenschaften des Festbetons Abb : Messung des E-Moduls (Sekantenmodul). Prüfung des E-Moduls Innerhalb der Gebrauchsspannungen ist es zulässig, ein näherungsweises elastisches Verhalten des Betons anzunehmen und dieses mit einem festen Sekantenmodul E c,s für einen definierten Spannungsbereich zu beschreiben. Die Spannung-Dehnungs-Linie enthält neben den elastischen auch zeitabhängige Verformungsanteile sowie bleibende Verformungen nach der Entlastung (Restdehnung). Durch mehrere Belastungswechsel wird ein Grenzwert der Restdehnung erreicht und ein nahezu elastisches Verhalten tritt ein. Dieses wird zur Bestimmung des E-Moduls nach der Norm SN EN (Regelfall Verfahren B) benutzt. Der E-Modul von Beton wird in einem Druckversuch an Zylindern oder Prismen bestimmt (Abb ). Die Prüfkörper durchlaufen drei Be- und Entlastungszyklen zwischen einer Unterspannung von 0.5 bis 1.0 N/mm 2 und einer Oberspannung von maximal einem Drittel der Druckfestigkeit. Der E-Modul wird beim dritten Belastungzyklus gemessen (Abb ). Spannnung σ Berechnung des E-Moduls Näherungsweise kann der rechnerische E-Modul E cm von Normalbeton nach der Norm SIA 262 aus der Druckfestigkeit berechnet werden: E cm = k E Gl f cm Δε Abb : Bestimmung des Elastizitätsmodul von Beton unter zyklischer Druckbelastung. E cm rechnerischer E-Modul des Betons [N/mm 2 ] k E Beiwert, abhängig von der Art der Gesteinskörnung [-]: bis Alluvialkies bis gebrochener Kalkstein bis glimmerhaltige Gesteinskörnung f cm mittlere Zylinderdruckfestigkeit (f cm f ck + 8 N/mm 2 ) [N/mm 2 ] f ck charakteristische Zylinderdruckfestigkeit [N/mm 2 ] In Abbildung sind gemessene E-Moduli in Abhängigkeit der Zylinderdruckfestigkeit nach 28 Tagen für unterschiedliche Betone dargestellt. Die durchgezogenen Linien wurden mit Hilfe von Gleichung für die unterschiedlichen Gesteinsarten berechnet. Die Messwerte stimmen mit den Normkurven gut überein. Δσ σ a σ b Dehnung ε E-Modul nach 28 Tagen [N/mm 2 ] In Gleichung wird die Art der Gesteinskörnung sowie indirekt die Qualität des Zementsteins durch die Druckfestigkeit berücksichtigt, aber nicht die tatsächlichen Volumenverhältnisse von Gesteinskörnung und Zementstein. Bei gleicher Druckfestigkeit wird der durch Gleichung berechnete E-Modul daher leicht überschätzt, was vor allem bei Betonen mit hohem Zementleimvolumen, wie z. B. selbstverdichtende Betone zu berücksichtigen ist (ca. 15 %). Zeitliche Entwicklung des E-Moduls Bei der Belastung von Beton zu einem anderen Zeitpunkt als nach 28 Tagen (z. B. Ausschalen oder Aufbringen der Vorspannung) muss der E-Modul zum Belastungszeitpunkt abgeschätzt werden, um die Verformungen bestimmen zu können. Der zeitliche Anstieg des E-Moduls folgt näherungsweise der Entwicklung der Druckfestigkeit, verläuft sogar etwas schneller. Richtwerte in erster Näherung für die Entwicklung des E-Moduls können der Tabelle aufgenommen werden. Alter [d] Alluvialkies gebrochener Kalkstein glimmerhaltige Gesteinskörnung Zylinderdruckfestigkeit nach 28 Tagen [N/mm 2 ] natürlich gerundete Gesteinskörnung (Standort 1) natürlich gerundete Gesteinskörnung (Standort 2) gebrochene alpine Gesteinskörnung Bereiche zwischen den Kurven: Normalbeton aus natürlicher Gesteinskörnung gemäss SIA 262 Abb : E-Modul in Abhängigkeit von der Zylinderdruckfestigkeit nach 28 Tagen für unterschiedliche Betone. Verhältnis E cm (t) / E cm28 Abb : Lastabhängiges Verformungsverhalten einer dünnen Platte aus Ultrahochleistungsfaserbeton (siehe Kapitel 7.3) = Tab : Richtwerte der zeitlichen Entwicklung des E-Moduls (Normalbeton mit f c, cube 58 N/mm 2 nach 28 Tagen). 108 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 109

56 3. Vom Frischbeton zum Festbeton 3. Vom Frischbeton zum Festbeton 3.9 Lastunabhängiges Verformungsverhalten von Beton 3.9 Lastunabhängiges Verformungsverhalten von Beton Signifikante Wasserverluste an der frischen Betonoberfläche durch hohe Luft- und Betontemperaturen, geringe relative Luftfeuchtigkeiten und hohe Windgeschwindigkeiten begünstigen das Frühschwinden (siehe Kapitel und 3.7.2). r r Einleitung Beton kann sich auch ohne äussere Lasteinwirkung verformen. Diese Verformungen werden durch Änderungen des Feuchtigkeitshaushalts im Beton (Schwinden und Quellen) oder durch Änderungen der Temperaturbedingungen hervorgerufen (Abb 3.9.1). Daneben können auch bei ungeeigneter Betonzusammensetzung und bestimmten Umgebungsbedingungen volumenvergrössernde, chemische Reaktionen, ein sogenanntes Treiben auftreten (siehe Kapitel 8.6 und 8.7). Werden die Verformungen behindert, entstehen sogenannte Eigen- und Zwangsspannungen. Eigenspannungen resultieren aus einer Behinderung durch das Bauteil selbst. Zwangsspannungen entstehen durch äussere Randbedingungen, z. B. eine Einspannung. Übersteigen diese Spannungen die Zugfestigkeit des Betons, erhöht sich das Risiko einer Rissbildung. Je grösser die Verformung, der E-Modul oder der Einspanngrad sind, desto grösser werden die Zugspannungen. Die Zugspannungen können durch Kriechen, insbesondere im jungen Alter, reduziert werden Schwinden und Quellen Allgemeines Unter Schwinden wird eine Volumenverringerung eines porösen Baustoffs durch einen Wasserverlust verstanden. Demgegenüber wird eine durch Feuchteaufnahme verursachte Volumenzunahme als Quellen bezeichnet. Das Quellen hat baupraktisch nur wenig Bedeutung, weil die Verformungen gering sind. Es wird im Folgenden nicht weiter behandelt. Das Schwinden ist eine Funktion des Feuchtigkeitsverlustes und wird in der Praxis als eindimensionales oder lineares Schwindmass angegeben: l ε s (t) = t l 0 l = l 0 l 0 ε s (t) Schwindmass zum Zeitpunkt t [-]* l t Länge zum Zeitpunkt t [mm] l 0 Ausgangslänge [mm] l Längendifferenz [mm] * Anstelle der dimensionslosen Angabe des Schwindmasses werden häufig folgende Dimensionen verwendet: [ ] oder [mm/m] Gl Das Schwinden findet im Wesentlichen im Zementstein statt und hängt vom Volumenanteil und E-Modul des Zementsteins ab. Übliche Gesteinskörnungen tragen nicht zum Schwinden bei. Das Schwindmass wird vorwiegend von der Zusammensetzung des Betons, der Umgebungsfeuchtigkeit und den Abmessungen des Bauteils beeinflusst. Es werden vier Arten des Schwindens unterschieden: Früh- oder Kapillarschwinden Chemisches und autogenes Schwinden Trockenschwinden Karbonatisierungsschwinden Das Karbonatisierungsschwinden hat baupraktisch eine geringe Bedeutung, weil die Verformungen gering sind. Es wird im Folgenden nicht weiter behandelt. Hinweise zu Schäden durch Rissbildung infolge Schwindens sind im Kapitel 8.4 aufgeführt. Früh- oder Kapillarschwinden Das Früh- oder Kapillarschwinden, auch als plastisches Schwinden bezeichnet, entsteht durch Kapillarspannungen während der Verdunstung von Wasser aus dem noch Frischbeton. Dabei baut sich insbesondere im oberflächennahen Bereich des Betons ein kapillarer Unterdruck auf, welcher eine anziehende Kraft auf die Zementpartikel im Frischbeton ausübt und zu einer dichteren Lagerung führt. Der Vorgang ist rein physikalisch und wird in Abbildung für eine trocknende Betonoberfläche anhand von drei Phasen schematisch dargestellt. Chemisches und autogenes Schwinden Das chemische Schwinden, auch chemisches Schrumpfen genannt, ist eine Volumenkontraktion im Laufe der Hydratation. Dabei werden Wassermoleküle in die Hydratationsprodukte (CSH-Phasen) chemisch eingebunden. Das Volumen des chemisch gebundenen Wassers ist geringer als jenes von freiem Wasser. Die Volumenverminderung des Zementsteins von der Erhärtung bis zur vollständigen Hydratation beträgt etwa 6 cm 3 /100 g Zement. Für einen Beton mit einem w/z-wert von 0.40 (vollständige Hydratation) beträgt demnach das Volumen des Zementsteins V ZS 92 % des Volumens des Zementleims V ZL. Beispiel 21: Berechnung der Volumenverminderung beim chemischen Schwinden Masse Zement m Z = 100 g Dichte Zement ρ Z = 3.1 g/cm 3 Volumen Zement V Z = 33 cm 3 Zementleim (w/z=0.40) Volumen Wasser V W = 40 cm 3 Volumen Zementleim V ZL = V Z + V W = = 73 cm 3 Volumenverminderung durch chemisches Schwinden V CS = 6 cm 3 Volumen Zementstein V ZS = (V ZL V CS )/V ZL = (73 6)/73 = 92 % Durch die fortschreitende Hydratation wird freies Wasser gebunden. Wenn kein freies Wasser in den Kapillarporen mehr zur Verfügung steht, wird das Wasser in den Gelporen verbraucht. Damit bildet sich leerer Porenraum und die innere relative Feuchtigkeit sinkt. Diese innere Trocknung aufgrund der Hydratation wird als Selbstaustrocknung bezeichnet. Die Reduktion der inneren relativen Luftfeuchtigkeit führt zu Kapillarkräften im Porenraum, welche wiederum eine äussere Volumenkontraktion, das sogenannte autogene Schwinden, bewirken. Das autogene Schwinden ist vom w/z-wert abhängig. Je kleiner der w/z-wert eines Betons ist, desto höher ist der Anteil des autogenen Schwindens. Für übliche Betone ist es praktisch vernachlässigbar, jedoch tritt es bei Betonen mit w/z-werten kleiner als 0.45 ohne Wasserzufuhr von aussen auf. Insbesondere bei hochfesten Betonen und Ultrahochleistungsbetonen ist das autogene Schwinden Phase 1 Blutwasser verdunstet an der Frischbetonoberfläche. Die Verdunstungsmenge ist ähnlich wie bei der Verdunstung von freiem Wasser und ist kleiner als die Blutwassermenge. zu berücksichtigen. Bei Betonen mit einer Druckfestigkeitsklasse von z. B. C80/95 erreicht das autogene Schwinden etwa 30 % des Trocknungsschwindens, also ca Ultrahochleistungsbetone schwinden fast ausschliesslich autogen. Das autogene Schwindmass beträgt ca In der Norm SIA 262 werden Richtwerte für das autogene Schwindmass ε ca für unterschiedliche Betone in Abhängigkeit vom Betonalter angegeben (Abb ). autogenes Schwindmass ε ca [ ] Phase 2 Wenn mehr Wasser verdunstet als durch Bluten an die Oberfläche transportiert wird, erreicht das Wasserniveau die ersten Zementpartikel. Die Zementpartikel ziehen sich zusammen, bis sie sich berühren. Es bauen sich Kapillarspannungen am Rand auf (r). Abb : Drei Phasen des Frühschwindens. Die Zementpartikel sind vereinfachend als Kugeln dargestellt. C50/60 C40/50 C30/37 C20/ Tage Jahre Betonalter Abb : Richtwerte für das autogene Schwindmass für Beton mit Festigkeitsklassen bis C50/60 gemäss Norm SIA 262. Phase 3 Bei weiterer Verdunstung sinkt der Wasserspiegel ins Innere und erreicht weitere Zement partikel, die sich nicht weiter zusammenziehen können. Die entstehenden Kapillarspannungen können zur Rissbildung führen (siehe Kapitel 8.4). 110 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 111

57 3. Vom Frischbeton zum Festbeton 3. Vom Frischbeton zum Festbeton 3.9 Lastunabhängiges Verformungsverhalten von Beton Endschwindmass [ ] Wassergehalt l/m 3 w/z-wert Zementgehalt [kg/m 3 ] Abb : Endschwindmass in Abhängigkeit von Zement-, Wassergehalt und w/z-wert (gemessen an Prismen von mm bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 50 % ab dem 5. Tag). Die Graphik gilt für Betone mit CEM I und CEM II-Zementen Trockenschwinden Diese Art des Schwindens findet im Festbeton statt und beruht auf der Abgabe von Wasser an die Umgebung. Es beginnt mit dem Ausschalen oder beim Ende der Nachbehandlung und kann über Jahre, bei massigen Bauteilen über Jahrzehnte andauern. Das Trockenschwinden verläuft schneller bei Betonen mit hohen w/z-werten, geringer Luftfeuchtigkeit, dünnen Bauteilen bzw. bei einem grossen Verhältnis von exponierter Oberfläche zu Volumen. Das Ausmass des Trockenschwindens steigt mit zunehmendem Zementleimvolumen an, weil das Korngerüst mit natürlicher Gesteinskörnung nicht schwindet und das Schwinden des Zementsteins sogar behindert. Das Zementleimvolumen ist definiert als das Volumen von Zement, Zusatzstoffen, eingeschlossener Luft und Wasser. Das Trockenschwinden wird durch die Änderung des Wassergehaltes stärker beeinflusst als durch die Änderung des Zementgehaltes. 3 Eine Erhöhung des Zementgehaltes auf 400 kg/m 3 bei gleich bleibendem Wassergehalt (175 kg/m 3 ) zeigt dagegen nur ein geringfügig erhöhtes Schwindmass von ca Das Trockenschwindmass εcd von Normalbeton kann gemäss Norm SIA 262 wie folgt abgeschätzt werden: ε cd (t) = β(t t s ) ε cd, ε cd Trockenschwindmass [ ] β(t t s ) Beiwert zur Berücksichtigung des Schwindbeginns (t s = Beginn des Schwindens) ε cd, Trockenendschwindmass [ ] Gl Richtwerte für das Trockenendschwindmass εcd, und für den Beiwert β(t ts) zur Berücksichtigung des Schwindbeginns können den Abbildungen und entnommen werden. Die Beiwerte β(t ts) für 30 Jahre gelten auch für mehr als 30 Jahre. Für die bezogene Bauteildicke h0 gilt: h 0 = 2 A c u h 0 bezogene Bauteildicke [mm] A c Querschnittsfläche [mm 2 ] u Anteil des der Trocknung ausgesetzten Querschnitt umfangs [mm] Gl In Tabelle ist die bezogene Bauteildicke für unterschiedliche Bauteilgeometrien und Trocknungsbedingungen aufgeführt. Das Schwindmass εcs von Normalbeton setzt sich aus dem Trockenschwindmass εcd und dem autogenen Schwindmass εca zusammen: ε cs (t) = ε cd (t) + ε ca (t) Trockenendschwindmass [ ] C20/25 C50/60 C40/ Relative Luftfeuchtigkeit r. F. [%] Abb : Richtwert für das Trockenendschwindmass εcd, von Beton gemäss Norm SIA 262 und typische Bereiche für die relative Luftfeuchtigkeit. β(t t s ) [-] Innenbereich h 0 = 100 mm h 0 = 200 mm Aussenbereich h 0 = 300 mm h 0 = 500 mm Tage h 0 = 60 mm h 0 = 600 mm Jahre t t s Abb : Beiwert zur Berücksichtigung des Schwindbeginns gemäss SIA 262, inklusive Extrapolation auf 30 Jahre. Schwindprüfungen Das Schwindmass eines Betons ist bei einigen Anwendungen von Interesse. Es kann im Labor durch unterschiedliche Methoden bestimmt werden. Die am häufigsten angewendete Methode ist die Messung des Schwindens am erhärteten Beton. Das in der Schweiz verwendete Verfahren ist in der Norm SIA 262/1, Anhang F, beschrieben und wird an Probekörpern mit den Abmessungen mm durchgeführt. Die Nullmessung erfolgt 24 Stunden nach der Prüfkörperherstellung. Die Prüfkörper werden anschliessend bei einer Temperatur von 20 C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 70 % gelagert. Weitere Messungen der Schwindverformungen erfolgen nach definierten Tagen nach der Betonherstellung. Aus der Längenänderung zu jedem Zeitpunkt wird das Schwindmass berechnet. Mit dieser Methode wird vornehmlich das Schwinden aus chemischem Schwinden, autogenem Schwinden und Trockenschwinden am Festbeton erfasst. Die Zusammenhänge in Abbildung gelten jedoch nur für Betone mit CEM I und CEM II-Zementen. Der zeitliche Verlauf des Schwindens von Betonen mit CEM III- Zementen ist sehr unterschiedlich zu jenem von Beton mit CEM I- und CEM II-Zementen, da das Trockenschwinden in den ersten Tagen bis Wochen wesentlich grösser ist. Die grosse Bedeutung des Wassergehaltes für das Trockenschwinden von Betonen wird durch Abbildung deutlich, bei welcher das Endschwindmass in Abhängigkeit von Zement-, Wassergehalt und w/z-wert dargestellt wird. Dargestellt sind die Fallbeispiele 1, 2 und 3 : Gl Bauteilgeometrie 1) Kreisquerschnitt z. B. runde Stützen Quadratquerschnitt z. B. quadratische Stützen a Rechteckquerschnitt Ausschnitt z. B. Wand, Decke h Rechteckquerschnitt Ausschnitt z. B. Bodenplatte h Tab : bezogene Bauteildicke h 0 für unterschiedliche Bauteilgeometrien und Trocknungsbedingungen. 1 Ein Beton mit einem Zementgehalt von 300 kg/m 3 und einem Wassergehalt von 175 kg/m 3 hat ein Endschwindmass von ca Wird der Wassergehalt auf 200 kg/m 3 bei gleichbleibendem Zementgehalt (300 kg/m 3 ) erhöht, resultiert ein Endschwindmass von ca r r a 1.0 m 1.0 m Trocknungsbedingung allseitig allseitig beidseitig einseitig h0 r a/2 h 2 h 1) Die Pfeile in den Graphiken kennzeichnen die Trocknungsrichtung. 112 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 113

58 3. Vom Frischbeton zum Festbeton 3.9 Lastunabhängiges Verformungsverhalten von Beton Abb : Trockenschwindmass in Abhängigkeit vom Zementsteinvolumen für Betone mit CEM I und CEM II-Zementen gemäss Norm SIA 262/1: nach 28 Tagen (oben), nach 91 Tagen (unten). Schwindmass nach 28 Tagen [ ] Schwindmass nach 91 Tagen [ ] Zementsteinvolumen [l/m 3 ] Zementsteinvolumen [l/m 3 ] Eine Ergänzung für die ersten Stunden nach der Betonherstellung stellt die Messung mit einer sogenannten Schwindrinne dar. Die Schwindverformungen werden im Übergang vom Frisch- zum Festbeton erfasst. Insbesondere frühhochfeste und hochfeste Betone mit signifikantem Erhärtungsfortschritt innerhalb der ersten 24 Stunden und autogenem Schwinden können mit dieser Methode besser charakterisiert werden. Die Austrocknung des Betons kann bei diesem Versuch nur über die Probenoberfläche erfolgen, was dem tatsächlich auftretenden Austrocknungsverhalten entspricht. Die Längen änderung wird in der Mitte des Querschnitts kontinuierlich über die Zeit verfolgt. Das Verfahren ist jedoch nicht normiert. Beispiel 22a: Für eine Fahrbahnplatte mit einer Dicke von 30 cm soll das Schwindmass nach 90 Tagen abgeschätzt werden Festigkeitsklasse C 40/50, Trocknen bei 70 % r. F., einseitiges Trocknen Schwinden im Bauteil: Die feste Fahrbahn wird als Platte betrachtet, die nur einseitig austrocknen kann. h 0 = 2 h = = 600 mm β (t ts) = 0.1 (siehe Abb und Tab ) Endschwinden nach 90 Tagen = ( ) = 0.12 (Abb ) Beispiel 22b: Abschätzen des Schwindmasses für einen Probekörper, mit dem Beton für die feste Fahrbahn, gemäss SIA 262/1, Prüfung F ( mm) autogenes Schwinden: ε ca = 0.08 (siehe Abb ) Trockenschwinden: ε cd = 0.35 (siehe Abb ) Reduktion des Tockenschwindmasses mit Beiwert β (t ts) a = 120 mm h 0 = a/2 = 60 mm β (t ts) = 0.95 (siehe Abb und Tab ) Trockenschwindmass: ε cd = = 0.33 Schwindmass nach 90 Tagen = = 0.41 Beispiel 22c: Überprüfen des Schwindmasses für einen Probekörper mit Abb Zementsteinvolumen = 348 l/m Schwindmass nach 90 Tagen = 0.42 Beide Abschätzungen führen zu dem gleichen Ergebnis für das Schwindmass nach 90 Tagen Temperaturverformungen Allgemeines Temperaturänderungen und -differenzen des Betons können sowohl durch Änderungen der Umgebungstemperatur im Tages- und Jahresverlauf als auch durch die bei der Hydratation des Zements freigesetzte Wärmeenergie zustande kommen und bewirken eine Längenänderung der Bauteile. Temperaturausdehnung Zur Berechnung der Temperaturverformungen wird im Allgemeinen der Temperaturausdehnungskoeffizient α T verwendet: ε T = α T T ε T Temperaturdehnung [-]* α T Temperaturausdehnungskoeffizient [K 1 ] T Temperaturunterschied [K] * Anstelle der dimensionslosen Angabe der Temperaturdehnung werden häufig folgende Dimensionen verwendet: [ ] oder [mm/m] Abfliessende Hydratationswärme Hydratationswärme des Zements Die Hydratation von Zement ist ein exothermer Prozess, d.h. es wird Wärme freigesetzt. Die maximal freigesetzte Wärmemenge hängt im Wesentlichen von der Hydratationswäreme des Zementes und dem Zementgehalt im Beton ab. Der zeitliche Verlauf der Wärmeentwicklung im Beton wird durch die Zementart (z. B. CEM I, CEM III), die Betonzusammensetzung (Zusatzmittel, w/z-wert), sowie die Frischbeton- und Umgebungstemperatur beeinflusst. Steigende Temperaturen beschleunigen die Wärmefreisetzung des Zementes. Die Wärmemenge eines Zementes kann gemäss den Normen SN EN oder SN EN bestimmt werden. In der Schweiz ist zusätzlich ein Alternativprüfverfahren mittels eines isothermen Wärmeflusskalorimeters normiert. Isotherm bedeutet, dass die Temperatur konstant gehalten und die entstehende Hydratationswärme abgeführt wird. Isotherme Bedingungen liegen in der Praxis jedoch nie vor, genauso wenig wie rein adiabatische Bedingungen, bei denen die gesamte freigesetzte Wärmeenergie im Körper gespeichert wird. In Abbildung ist die Hydratationswärme in Abhängigkeit von der Zeit für unterschiedliche Zementarten dargestellt. Wärmemenge [J/g] Gl Tab : Anhaltswerte für das Schwindmass für unterschiedliche Schwindarten von üblichen Betonsorten. Schwindarten Zeitpunkt Schwindmass [ ] Bemerkung Früh- oder Kapillarschwinden In den ersten Stunden bis zum Erstarren bis zu 4.0 Chemisches Schwinden In den ersten Tagen bis zu 0.2 Autogenes Schwinden Trocknungsschwinden Während Wochen Ab Erstarren während Jahren Problem vor allem bei grossen Oberflächen (Böden und Decken) und bei Betonen ohne Blutwasser Hydratationsbedingt, tritt bei allen Betonen auf bis zu 0.12 Normalbetone w/z-werten < bis zu Hochfeste Betone, ultrahochfeste Betone Lagerung in sehr feuchter Luft (90 % r. F.) Lagerung im Freien (70 % r. F.) Lagerung im Innenraum mit trockener Luft (50 % r. F.) Der Temperaturausdehnungskoeffizient αt ist im Wesentlichen abhängig von der Zusammensetzung, dem Feuchtigkeitsgehalt des Betons und der Art der Gesteinskörnung. Er variiert zwischen und K 1. Bei der Tragwerksanalyse kann für Normalbeton ein Wert von αt = K 1 und für Leichtbeton ein Wert von α T = K 1 angenommen werden. Diese Werte entsprechen damit in etwa dem Temperaturaus dehnungs - koeffizienten von Stahl und sind damit eine Grundvoraussetzung für das günstige Materialverhalten des Verbundbaustoffs Stahlbeton. Nach Gleichung hat die Temperaturdehnung für z. B. T = 20 K einen Wert von εt = Festigkeitsklasse 52,5 z.b. Fortico 5R, Normo 5R, Albaro 5R Festigkeitsklasse 42,5 z.b. Normo 4, Robusto 4R 5, Optimo, Fluvio 4 Festigkeitsklasse 32,5 z.b. Normo 3, Modero 3B Abb : Hydratationswärme in Abhängigkeit der Zeit für unterschiedliche Zementarten von Holcim (Messung nach SN EN (Langavant)) Zeit [h] 114 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 115

59 3. Vom Frischbeton zum Festbeton 3.9 Lastunabhängiges Verformungsverhalten von Beton Abb : Temperaturverlauf und Eigenspannungen in einem Bauteil. Temperaturen und Spannungen im Bauteil Maximale Bauteiltemperatur Es besteht ein Zusammenhang zwischen der Hydratationswärme des Zements und der maximalen, mittleren Bauteiltemperatur. Solange die zu einer bestimmten Zeit freigesetzte Hydratationswärme grösser ist als die über die Oberfläche des Bauteils abfliessende Wärme, erhöht sich die mittlere Bauteiltemperatur. Als Folge dehnt sich der Beton aus. Wird die Verformung behindert, entstehen Druckspannungen. Diese sind sehr gering, da der Beton zu diesem Zeitpunkt einen sehr geringen E-Modul aufweist. Während der Abkühlungsphase zieht sich sich der Beton annähernd auf seine Ausgangsabmessungen zusammen. Zwischen der Erwärmung und der Abkühlung steigt der E-Modul mit zunehmendem Alter deutlich an. Die Zugspannungen, die während der Abkühlung entstehen, sind deutlich grösser als die Druckspannungen während der Erwärmung und können zur Entstehung von Rissen führen. Je massiger das Bauteil ist, umso länger dauert die Phase des Temperaturanstiegs und umso höher ist die Maximaltemperatur. Für massige Bauteile von 2 m Bauteildicke wird oft erst nach 3 bis 4 Tagen die maximale Bauteiltemperatur erreicht. Temperaturen ab 70 C können zudem zu Schädigungen des Beton aufgrund einer verzögerten Ettringitbildung führen (siehe Kapitel 8.6). Deshalb wird für massige Bauteile eine maximal zulässige Temperatur im Bauteilkern von 60 C empfohlen. Temperaturdifferenz zwischen Kern- und Randbeton Bei grossen Bauteildicken (massige Bauteile) ist die Temperatur nicht gleichmässig über den Querschnitt verteilt. Die im Kern entstehende Wärme fliesst bei diesen Bauteilen wegen der grossen Abmessungen nur langsam an die Umgebung ab, so dass sich der Kernbeton stärker erwärmt als der Randbeton. Die Temperaturunterschiede führen innerhalb des Querschnitts im Kern zu Druck- und in den Randzonen zu Zugspannungen (Abb ). Diese sind besonders ausgeprägt, wenn die Temperatur des ausgeschalten Betons deutlich höher ist als die Umgebungstemperatur, so dass sich die Betonoberfläche rasch abkühlen und zusammenziehen kann. Diese Verformung max. T σ zt wird durch den Kernbeton behindert. Daraus entstehen Eigenspannungen im Querschnitt, die zur Rissbildung in der Betonrandzone führen können. Die Rissbildung aufgrund des Temperaturunterschiedes entsteht im Allgemeinen kurz nach dem Ausschalen oder dem Entfernen der Dämmmatten. Zugspannungen können auch zwischen verschiedenen Bauteilen auftreten, wenn ein Bauteil als neuer Abschnitt auf einen schon bestehenden Bauteil betoniert wird. Der frische Beton entwickelt Wärme, während der Beton des ersten Bauabschnitts bereits abgekühlt und erhärtet ist. Beim Abkühlen will sich der später betonierte Teil zusammenziehen, wird aber durch den Verbund mit dem ersten Bauabschnitt daran gehindert. Es entstehen Spannungen infolge der Verformungsbehinderung, die zu Rissen führen können. In Abbildung sind Temperaturmessungen eines Abschnitts einer 1.10 m dicken Bodenplatte und eine qualitative Auswertung der Spannungsentwicklung aufgrund abfliessender Hydratationswärme exemplarisch dargestellt. Abb : Massige Bodenplatte. Berechnung der Temperaturen und Spannungen im Bauteil In der Literatur wird zur Abschätzung der maximalen, mittleren Bauteiltemperatur eine einfache Formel auf Basis der Einbautemperatur des Frischbetons und der adiabatischen Temperaturerhöhung angegeben. Auf Basis dieser ermittelten maximalen, mittleren Bauteiltemperatur kann auch die Temperaturdifferenz zwischen Kern- und Randbeton mit Hilfe der sogenannten Biot- Zahl abgeschätzt werden. Beide Formeln stellen jedoch nur sehr grobe Näherungen dar und sind für eine Voraussage der Bauteiltemperaturen unter realistischen Bedingungen nicht geeignet. Für grosse Projekte kann anhand der geplanten Betonzusammensetzungen, der Bauteilgeometrien und der zu erwartenden Umgebungsbedingungen die Temperaturentwicklung im Bauteil mit Hilfe von speziellen Computerprogrammen abgeschätzt werden. Damit können Vorschläge für eine Optimierung der Beton zusammensetzung gegeben werden, denn die projektbezogenen Anforderungen unterscheiden sich häufig sehr. Temperatur [ºC] Spannung/Festigkeit Druck Zug 14.5ºC 2 Tage T max = 53.3ºC Entfernen der Thermomatten am 5. Tag Unter Verwendung eines Hochofenzementes mit niedriger Hydratationswärme und einer Verschiebung des Betonnachweisalters auf 56 oder 91 Tage können sehr gut klassische massige Bauteile mit einer maximalen Betontemperatur unter 60 C ausgeführt werden. Sind jedoch höhere Festigkeitsklassen, z. B. C50/60 oder frühere Ausschalfristen erforderlich, können Kombinationen von Portlandzement mit höheren Mengen an Flugasche zielführender sein. Zusammen mit der Prognose der Festigkeitsentwicklung können die jeweils optimale Betonzusammensetzung ermittelt werden und durch Bestimmung der Zeitpunkte des Temperaturmaximums und der Temperaturdifferenzen im Bauteil und zur Umgebung die geeigneten Massnahmen der Nachbehandlung vorgegeben werden. Grundlage solcher Prognosen ist die genaue Kenntnis der Zementeigenschaften (Wärmemenge und der zeitlichen Entwicklung der mechanischen Eigenschaften). 12.4ºC Zeit [Tage] ΔT Risse an der Oberfläche Kernbeton Randbeton Luft resultierend aus ΔT resultierend aus T max Abb : Temperaturmessungen in einem Abschnitt einer 1.10 m dicken Bodenplatte (oben) und qualitative Auswertung der Spannungsentwicklung aufgrund abfliessender Hydratationswärme (unten). Druckspannung Zugspannung Zugfestigkeit Mittlere Spannung eines verformungsbehinderten Bauteils Spannung im Randbeton Spannung im Kernbeton 116 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 117

60 3. Vom Frischbeton zum Festbeton 3. Vom Frischbeton zum Festbeton 3.10 Korrosionsschutz der Bewehrung 3.10 Korrosionsschutz der Bewehrung In Tabelle ist die nominelle Bewehrungsüberdeckung für Betonstahl und für Spannstahl bzw. Spannglieder in Abhängigkeit von der Expositionsklasse gemäss der Norm SIA 262 aufgeführt. Bewehrungsüberdeckung c nom [mm] XC1 XC2 XC3 XC4 XD1 XD2a XD2b XD3 Betonstahl Abb : Schematischer Schädigungsverlauf eines Stahlbetonbauteils Dicke und Qualität des Überdeckungsbetons Allgemeines Der Überdeckungsbeton ist die Betonschicht zwischen der Bewehrung und der Betonoberfläche. Die Aufgaben dieser Schicht sind: Sicherstellen des Korrosionsschutzes der Bewehrung Sicherstellen des Brandschutzes (Feuerwiderstand) Übertragen von Verbundkräften Die Korrosion der Bewehrung ist heute die häufigste Ursache von Schäden an Stahlbetonbauten (siehe Kapitel 8.9). Ausgelöst wird die Korrosion durch die Karbonatisierung des Betons oder durch eingedrungene Chloride (Tausalze). Grundsätzlich wird zwischen der Einleitungsphase und der Korrosionsphase unterschieden (Abb ). Die Einleitungsphase wird stark durch die Dicke und die Qualität des Überdeckungsbetons (Bewehrungsüberdeckung) beeinflusst. Die Dicke wird umgangssprachlich häufig auch als Stärke bezeichnet. Die Korrosionsphase demgegenüber ist wesentlich vom elektrischen Betonwiderstand geprägt, welcher seinerseits stark von der Betonfeuchtigkeit und Betontemperatur abhängig ist. Zerstörung der Bewehrung Grenzzerstörung Einleitungsphase Karbonatisierung, Eindringen von Chloriden Nutzungsdauer Zerstörungsphase Korrosion der Bewehrung Zeit Dicke des Überdeckungsbetons Beton nach Eigenschaften hat bei den Expositionsklassen XC und XD die Schutzfunktion für die Bewehrung zu erfüllen. Aus diesem Grunde wurde in der Norm SIA 262 die Bewehrungsüberdeckung in Abhängigkeit der Expositionsklasse angegeben. Es wird unterschieden zwischen der nominellen Bewehrungsüberdeckung c nom und der zulässigen Abweichung c zul. aufgrund von Ausführungstoleranzen. c nom nominelle, auf den Plänen anzugebende Bewehrungsüberdeckung. c nom ist der Sollwert und entspricht dem Mass für die Abstandhalter und ist auch massgebend für die statische Berechnung c zul. maximal zulässige Lageabweichung vom Sollwert aufgrund von Schwankungen bei den Verlegearbeiten (siehe Abb ). c nom c zul. Abb : Streuung in der Bewehrungsüberdeckung. (Quelle: Technik und Forschung im Betonbau (TFB), Wildegg). Die Werte der nominellen Bewehrungsüberdeckung dürfen bei der Ausführung nur bis zu den zulässigen Abweichungen unter- oder überschritten werden. Sie gelten für eine Nutzungsdauer von 50 Jahren. Das Grösstkorn des Betons sollte so gewählt werden, dass der Durchmesser des Grösstkorns nicht grösser ist als die nominelle Bewehrungsüberdeckung. Qualität des Überdeckungsbetons Die Qualität des Überdeckungsbetons, in erster Linie seine Dichtigkeit gegenüber Gasen und eindringendem Wasser und darin gelösten Salzen, wird unter anderem beeinflusst durch: Zusammensetzung des Betons Verdichtung des Betons Art und Dauer der Nachbehandlung Form und Abmessungen des Bauteils Bewehrungsgehalt und Bewehrungsanordnung Art und Vorbehandlung der Schalung Oberflächenbearbeitung des Bauteils Der Überdeckungsbeton ist herstellungsbedingt anders zusammengesetzt als der Beton im Bauteilinneren, weil der Anteil des Zementsteins in der Betonrandzone höher ist als im Kernbeton. Deswegen sind die Betoneigenschaften über den Betonquerschnitt unterschiedlich. Die Dichtigkeit wird unter anderem erhöht durch: geringen w/z-wert geringe Kapillarporosität keine Risse saugende Schalung ausreichend lange und feuchte Nachbehandlung Verlust des Korrosionsschutzes durch Karbonatisierung Allgemeines Die Karbonatisierung des Betons ist eine Folge von chemischen Reaktionen der alkalisch reagierenden Bestandteile des Zementsteins mit Kohlendioxid (CO 2 ). Die Reaktionen laufen nur in Anwesenheit von genügend Wasser ab. Mit der Karbonatisierung des Betons sinkt der ph- Wert im Porenwasser von ursprünglich > 12.5 auf einen ph-wert von ca. 9.0, bei dem der Betonstahl im Beton nicht mehr passiviert ist und zu korrodieren beginnen kann. Der Gehalt an Ca(OH) 2 ist für die sogenannte Pufferkapazität oder Alkalitätsreserve eines Betons entscheidend. Der ph-wert sinkt solange nicht unter den Wert von 12.5 ab, wie noch lösbares Ca(OH) 2 im Beton vorhanden ist. Spannstahl bzw. Spannglied Tab : Nominelle Bewehrungsüberdeckung für Betonstahl und für Spannstahl bzw. Spannglieder in Abhängigkeit von der Expositionsklasse nach der Norm SIA 262. Die Zemente können sich bezüglich der Alkalitäts reserve unterscheiden. In der Praxis wird bei Betonen mit CEM II/A-LL- und CEM II/B-M-Zementen im Vergleich zu Betonen mit CEM I eine schnellere Karbonatisierung beobachtet. Durch die Karbonatisierung entsteht bei Beton mit Zementen mit hohem CaO-Gehalt, z. B. CEM I und CEM II- Zemente, ein dichteres Gefüge, weil sich die Karbonate vorwiegend im Kapillarporenbereich ausbilden und in diesem Porenbereich zu einer Verdichtung führen. Dagegen wird bei Beton mit einem sehr grossen Anteil an Zementzusatzstoffen, z. B. Zement CEM III/B, durch die Karbonatisierung eine Aufweitung eines Teiles der Kapillarporen und damit eine Vergröberung der Porenstruktur festgestellt (Abb ). Beton mit CEM I: Nicht karbonatisiert (links), karbonatisiert (rechts). Beton mit CEM III/B: Nicht karbonatisiert (links), karbonatisiert (rechts). Abb : Aufnahmen mit dem Elektronenmikroskop von Betonen mit unterschiedlichen Zementen vor und nach der Karbonatisierung. (Quelle: Eidgenössische Prüf- und Forschungsanstalt (Empa), Dübendorf). 118 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 119

61 3. Vom Frischbeton zum Festbeton 3. Vom Frischbeton zum Festbeton 3.10 Korrosionsschutz der Bewehrung Karbonatisierungsgeschwindigkeit Die Karbonatisierungsgeschwindigkeit von Beton ist von einer Reihe verschiedener Faktoren abhängig: Art und Gehalt des Zementes Art und Gehalt der Zusatzstoffe ph-wert des Porenwassers und des Ca(OH) 2 -Gehaltes Porosität, insbesondere die Kapillarporosität (w/z-wert) Nachbehandlung Hydratationsgrad in der Betonrandzone In Abbildung sind die relative Karbonatisierungsund Korrosionsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der relativen Luftfeuchtigkeit schematisch dargestellt. Karbonatisierungswiderstand Der zeitliche Verlauf des Karbonatisierungsfortschritts wird in der Praxis mit einem Wurzel-Zeit-Gesetz beschrieben (Gleichung ). d k = A + K t 0.5 d k Karbonatisierungstiefe [mm] A Konstante (Nullwert) [mm] K Karbonatisierungskoeffizient [mm/d 0.5 ] oder [mm/a 0.5 ] t Zeit [d] oder [a] Gl Probekörper in Prüfmaschine 2 Abspalten von Betonabschnitten 3 Besprühen mit Phenopthaleinlösung* Abb : Versuchsablauf für die Bestimmung des Karbonatisierungswiderstandes. Abb : Schematische Darstellung der Karbonatisierungs- und Korrosionsgeschwindigkeit in Abhängigkeit der relativen Feuchtigkeit. Relative Geschwindigkeit [-] Beispiel 23: Berechnung der zu erwartenden Lebensdauer (Einleitungsphase bis zur Depassivierung der Bewehrung) für einen Beton der Betonsorte B Annahmen: A = 0, K = 5.0 mm/a, d k = c nom = 35 mm (siehe Tab ) 2 d t = K 35 2 = = 49 Jahre K Nullmessung 5 Messung nach 7 Tagen 6 Messung nach 28 Tagen 7 Messung nach 36 Tagen * Die Sicherheitshinweise sind beim Arbeiten mit Phenolpthaleinlösung zu beachten Relative Luftfeuchtigkeit [%] Karbonatisierung Korrosion Die Karbonatisierungsgeschwindigkeit ist bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von etwa 55 bis 80 % am grössten. Vollständig durchnässter Beton karbonatisiert praktisch nicht, da die Diffusionsgeschwindigkeit von CO 2 im Porenwasser um etwa 3 4 Grössenordnungen langsamer ist als im wenig durchfeuchteten Beton. Ab einer relativen Luftfeuchtigkeit von ca. 40 % karbonatisiert der Beton praktisch ebenfalls nicht mehr, weil das für die Karbonatisierungsreaktion notwendige, frei bewegliche Wasser fehlt. Die Korrosionsgeschwindigkeit ist bis zu 70 % r. F. sehr gering und nimmt ab 85 % r. F. schlagartig zu, erreicht bei ca. 95 % r. F. das Maximum und fällt schliesslich bei vollständiger Sättigung auf Null zurück, weil der für die Bewehrungskorrosion notwendige Sauerstoff fehlt. Da die Karbonatisierungsgeschwindigkeit unter natürlichen Bedingungen eher gering ist, wurde für den Konformitätsnachweis eine Schnellkarbonatisierungsprüfung entwickelt. Der Karbonatisierungskoeffizient wird in der Schweiz als Mass für den Karbonatisierungswiderstand von Beton betrachtet. Die Karbonatisierung eines Betons wird in einer Kammer mit einem erhöhten CO 2 -Gehalt von 4.0 Vol.-% in der Luft beschleunigt. Die Karbonatisierungstiefe wird zu unterschiedlichen Zeitpunkten an den 4 Seitenflächen eines abgespaltenen Prismas gemessen und pro Seitenfläche wird ein Mittelwert gebildet (Abb ). Mit den vier mittleren Karbonatisierungstiefen aus den definierten Messterminen wird durch lineare Regression die Konstante A und der Karbonatisierungskoeffizient K S ermittelt (Abb ). Karbonatisierungstiefe [mm] y = K S + A R 2 = A t 1/2 [Zeit in Tagen] Messwerte (Wurzelmassstab) K S Abb : Bestimmung des Karbonatisierungskoeffizienten K S. Der Karbonatisierungskoeffizient K S aus der Schnellkarbonatisierungsprüfung wird schliesslich in einen Karbonatisierungskoeffizient K N unter natürlichen Bedingungen mit Gleichung umgerechnet. Je geringer der angegebene Wert, desto höher ist der Karbonatisierungswiderstand. K N = a b c K S = 2.6 K S K N Karbonatisierungskoeffizient unter natürlichen Bedingungen mit einem CO 2 -Gehalt von 0.04 Vol.-% [mm/a 0.5 ] K S Karbonatisierungskoeffizient a Umrechnung von 1 Tag auf 1 Jahr: (365/1) 0.5 b Umrechnung von 4.0 auf 0.04 Vol.-% CO 2 : (0.04/4.0) 0.5 c Korrekturfaktor für die Schnellkarbonatisierung: 1.36 Gl Die Bestimmung des Karbonatisierungswiderstandes von Beton ist in der Norm SIA 262/1, Anhang I geregelt. In Tabelle sind die Grenzwerte für den Karbonatisierungswiderstand gemäss Norm SIA 262/1 (Konformitätsprüfung) und die notwendige Bewehrungsüberdeckung aufgeführt. Dabei werden zwei Nutzungsdauern unterschieden, da die Anforderungen für die Bewehrungsüberdeckung in der Norm SIA 262 nur für eine Nutzungsdauer von 50 Jahren gelten. In der Praxis zeigt sich, dass die Grenzwerte des Karbonatisierungswiderstandes für die Betonsorte B, d. h. die Expositionsklasse XC3, max. w/z = 0.60, nicht für Beton mit jeder Zementart eingehalten werden. In Abbildung ist der Karbonatisierungswiderstand für Betone der Sorte B mit unterschiedlichen Zementarten dargestellt. Mit einer roten Linie ist der Grenzwert des Karbonatisierungswiderstandes gemäss Norm SN EN für eine Nutzungsdauer von 50 Jahren zusätzlich eingezeichnet. Betone mit den Zemenarten CEM II/B-LL und CEM III/B liegen deutlich über dem Grenzwert. Tab : Grenzwerte für den Karbonatisierungswiderstand und Bewehrungsüberdeckung für unterschiedliche Nutzungsdauern. Nutzungsdauer [a] Karbonatisierungswiderstand K N [mm/a 0.5 ] Grenzwert K N = 5.0mm/a 0.5 CEM I Karbonatisierungswiderstand K N [mm/jahr 0.5 ] Betonsorte B: 5.0 Betonsorte C, D und E: 5.0 Betonsorte B: 4.0 Betonsorte C, D und E: 4.5 CEM II/A-LL CEM II/ B-M (T-LL) CEM II/B-LL Bewehrungsüberdeckung [mm] CEM III/B Abb : Karbonatisierungswiderstand für Betone der Sorte B mit unterschiedlichen Zementarten. 120 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 121

62 3. Vom Frischbeton zum Festbeton 3.10 Korrosionsschutz der Bewehrung Verlust des Korrosionsschutzes durch Chloride Allgemeines Chloride, z. B. aus Tausalzen, dringen durch den Beton bis zur Bewehrung vor und zerstören dort, selbst bei hohem ph-wert, d. h. auch im nicht karbonatisierten Beton, den Passivfilm der Bewehrung. Bei wechselndem Feuchtigkeitsgehalt des Betons (Trocken-/Nasszyklen) dringen die Chloride im Spritz- oder Schmelzwasser schnell in den Beton ein. In oberflächennahen Zonen können Chloride durch die Bewitterung ausgewaschen werden. Die Feuchtigkeits- und Bewitterungsverhältnisse sind daher für die Korrosion ebenso bedeutend wie die Chloridbeaufschlagung. Korrosionsangriffe sind aber erst nach Überschreiten bestimmter Chloridkonzentrationen in der Porenlösung möglich. Für die Depassivierung ist das Verhältnis von im Porenwasser gelösten Chloriden und Hydroxidionen entscheidend. Die Korrosionsvorgänge im Beton werden jedoch nicht allein vom Chloridgehalt, sondern auch noch von der elektrischen Leitfähigkeit des Betons (Porosität und Feuchtigkeit) beeinflusst. Aus diesem Grunde gibt es auch keinen einheitlichen Grenzwert für den korrosionsauslösenden, kritischen Chloridgehalt. Als grober Näherungswert für die Abschätzung des korrosionsauslösenden Chloridgehaltes wird ca. 0.4 M.-% bezogen auf den Zementgehalt im Beton angenommen. Chlorideindringeschwindigkeit und -bindung Chloride können in den Porenraum des Betons über zwei verschiedene Transportmechanismen eingetragen werden, welche wiederum die Eindringgeschwindigkeit massgeblich bestimmen: Grossteil des Chlorids wird innerhalb der ersten Tage gebunden. Mit zunehmender Zeit wird weniger Chlorid pro Zeiteinheit fixiert. Die Chloridbindung wird von den folgenden betontechnologischen und umgebungsbedingten Parametern beeinflusst: Zement (Art, Menge, C 3 A-Gehalt und Mahlfeinheit) Alter des Betons (Hydratationsgrad) beim ersten Kontakt mit den Chloriden Karbonatisierung des Betons (Stabilität des Friedelschen Salzes) Porenlösung (Sulfatgehalt und ph-wert) Chloride (Zusammensetzung und Konzentration) Temperatur Chloridwiderstand Die Chloriddiffusion ist ein sehr langsamer Prozess und daher für eine Konformitätsprüfung nicht geeignet. Die Streuungen der Ergebnisse bei der Prüfung des Huckepacktransportes sind sehr gross. Aus diesen Gründen wurde eine beschleunigte Chloriddiffusionsprüfung gewählt, bei welcher durch Anlegen einer elektrischen Spannung Chloridionen in eine wassergesättigten Betonprobe schneller einwandern als durch reine Diffusion. Bei dieser sogenannten Chloridmigrationsprüfung wird die Eindringgeschwindigkeit durch einen Chloridmigrationskoeffizienten beschrieben, der in der Schweiz als Mass für den Chloridwiderstand gilt. Die Eindringtiefe der freien Chloridionen wird nach Versuchsende an einer frischen Bruchfläche des gespaltenen Probekörpern mit Hilfe von einem Färbetest bestimmt (Abb ). Aus der Eindringtiefe, der Höhe der angelegten Spannung und der Versuchsdauer wird der Chloridmigrationskoeffizient berechnet. Das Prüfverfahren zur Bestimmung des Chloridwiderstandes von Beton ist in der Norm SIA 262/1, Anhang B geregelt. Je geringer der angebene Wert, desto höher ist der Chloridwiderstand. Der Grenzwert des Chloridwiderstandes beträgt für die Betonsorte F und G m 2 /s (Konformitätsprüfung). In der Praxis zeigt sich, dass der Grenzwert des Chloridwiderstandes für die Betonsorte F, d. h. die Expositionsklasse XD3, max. w/z = 0.45, in der Regel von allen für die Expositionsklasse zugelassenen Zementen eingehalten wird. In Abbildung ist der Chloridwiderstand für Betone der Sorte F mit unterschiedlichen Zementarten dargestellt. Mit einer roten Linie ist der Grenzwert des Chloridwiderstandes gemäss Norm SN EN für eine Nutzungsdauer von 50 Jahren zusätzlich eingezeichnet. Betone mit der Zementart CEM II/B-M (S-T) liegen jedoch im Vergleich zu den anderen Zementen deutlich unterhalb des Grenzwertes. Chloridwiderstand [m 2 /s] Grenzwert D Cl m 2 /s CEM I CEM II/A-LL CEM II/B-M (T-LL) CEM II/B-M (T-S) CEM III/B Abb : Chloridwiderstand für Betone der Sorte F mit unterschiedlichen Zementarten. Abb : Versuchsablauf für die Bestimmung des Chloridwiderstandes. durch reine Diffusion bei vollständig mit Wasser gefüllten Betonporen. durch kapillares Saugen in trockenen oder teilweise mit Wasser gefüllte Betonporen, gelöst in dem aufgesaugten Wasser, dem sogenannten Huckepacktransport. Der Huckepacktransport ist dabei um ein Vielfaches rascher und leistungsfähiger als die reine Diffusion. Beton ist in der Lage, eindringende Chloride chemisch, z. B. im sogenannten Friedelschen Salz, einem Monochloridhydrat, und physikalisch, z. B. an die CSH-Phasen, zu binden. Je nach Hydratphase kann die Art der Bindung verschieden sein. Chloride können im Beton vorliegen als: chemisch gebundenes Chlorid physikalisch und chemisch adsorbiertes Chlorid freies Chlorid in der Porenlösung Durch die Chloridbindung im Zementstein wird einer seits die Chlorideindringgeschwindigkeit verlangsamt und andererseits der freie Gehalt der Chloride in der Porenlösung verringert. Für die Initiierung der Korrosion ist nur der Chloridgehalt der Porenlösung massgebend. Ein Der Chloridmigrationskoeffizient wird vereinfachend für eine 0.2 molarer Kaliumhydroxidlösung mit 3 % NaCl bestimmt: z D CI = (x d z x d ) [m 2 /s] t mit z = ht U [m] D Cl Chloridmigrationskoeffizient [m 2 /s] T mittlere, absolute Temperatur der KOH-Lösung mit und ohne NaCI während des Versuchs [K] x d mittlere Eindringtiefe der Chloridionen der beiden Prüfkörperhälften [m] U Mittelwert der Spannung zu Beginn und am Ende des Versuchs [V] t Zeit der Spannungsbeaufschlagung [s] h Höhe des Probekörpers Gl und Herausbohren des Bohrkerns. 4 Ende der Messung mit Entnahme des Bohrkerns. Danach Spalten des Bohrkerns. 2 Abdichten des Bohrkerns. 5 Besprühen der Bruchfläche mit Silbernitrat und Indikatorlösung und Bestimmung der Chlorideindringtiefe an zwei Bohrkernhälften. 3 Platzieren des Bohrkerns in der Messzelle, Befüllen mit KOH und Verschliessen. Befüllen der Migrationszelle mit NaCl und Start der Messung. 122 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 123

63 3. Vom Frischbeton zum Festbeton 3. Vom Frischbeton zum Festbeton 3.11 Qualitätssicherung auf der Baustelle 3.11 Qualitätssicherung auf der Baustelle Kriterien Festigkeitsklasse Expositionsklasse Betonsorte Risikoklasse keine Anforderung X0, XC1, XC2, XC3, XC4, XD1, XD2a, XF1 Überwachungsklasse A, B, C, P3, P4 R1 1 Tab : Überwachungsklassen für Beton nach der Norm SN EN keine Anforderung XD2b, XD3, XF2, XF3, XF4, XA, XAA D, E, F, G, P1, P2 R2 2 C55/67 keine Anforderung keine Anforderung R3 3 Abb : Schnittstelle bei der Betonübergabe eines Transportbetons zwischen Transportbetonund Bauunternehmer Einleitung Allgemeines Bauunternehmen müssen bei der Herstellung von Betonbauwerken durch eine regelmässige Überwachung aller Tätigkeiten sicherstellen, dass ihre Leistung in Übereinstimmung mit den geltenden Regelwerken und der Projektbeschreibung erfolgt. Je nach Bauvorhaben wird zur Qualitätssicherung des Betons ein spezifischer Überwachungsaufwand notwendig. Die Qualitätssicherung auf der Baustelle hilft, die angestrebte Ausführungsqualität zu prüfen und ggf. rechtzeitig korrigierend einzugreifen. Die Überprüfung der massgebenden Frisch- und Festbetoneigenschaften auf der Baustelle wird gemäss den Normen SIA 118/262 und SN EN 13670, inkl. der Nationalen Elemente, durchgeführt. Die Baustellenprüfungen ersetzen nicht die Konformitätsprüfungen im Betonwerk und umgekehrt. In Abbildung ist am Beispiel von einem durch das Transportbetonwerk angelieferten Beton auf eine Baustelle die Schnittstelle (Betonübergabe) und damit der Wechsel der Verantwortlichkeit vom Transportbetonunternehmer zum Bauunternehmer dargestellt. Verantwortlich Bauunternehmen Baustellenprüfung Betonübergabe Verantwortlich Transportbetonwerk Konformitätsprüfung Überwachung des Betonierens Überwachungsklassen Der Bauherr kann vom Bauunternehmer Überwachungsprüfungen am Frisch- und Festbeton auf der Baustelle verlangen. Die geforderten Frisch- und Festbetonprüfungen sind dabei im Kontroll- und/oder Prüfplan festzulegen und müssen Bestandteil des Werkvertrages sein. In der Norm SN EN wird die Überwachung in drei sogenannte Überwachungsklassen eingeteilt. Die Auswahl einer Überwachungsklasse erfolgt anhand von vier Kriterien, nämlich Festigkeitsklasse des Betons, Expositionsklasse und Betonsorte gemäss Norm SN EN 206-1, Nationale Elemente, sowie Risikoklasse gemäss Merkblatt SIA 2042 Vorbeugung von Schäden durch die Alkali- Aggregat-Reaktion (AAR) bei Betonbauten (Tab ). Massgebend für die Einordnung des Betons ist bei mehreren zutreffenden Überwachungsklassen die höchste Klasse. Frisch- und Festbetonprüfungen für Beton nach Eigenschaften Die Möglichkeiten zur Überprüfung der Betoneigenschaften sind in Tabelle aufgeführt. Die Frischbetonprüfungen werden gemäss Norm SN EN durchgeführt (siehe Kapitel 3.3). Die Druckfestigkeit kann an Würfeln gemäss Norm SN EN oder an Bohrkernen gemäss Norm SN EN vorgenommen werden. Die Dauerhaftigkeitsprüfungen können an Prüfkörpern oder Bohrkernen aus dem Bauwerk vorgenommen werden. Dabei wird in drei unterschiedliche Prüfungsarten, benannt mit Testing Type (TT), unterschieden: TT-1 Werkseigene Produktionskontrolle des Betonwerkes und für Prüfungen auf der Baustelle im Rahmen der Qualitätssicherung. TT-2 Nachweis der Eigenschaften am eingebauten Beton eines Bauteils oder Bauwerks. Alternative von TT-1 auf der Baustelle. Sie ersetzen nicht die für die werkseigene Produktionskontrolle geforderten Prüfungen. TT-3 Spätere Überprüfung der Eigenschaften des eingebauten Betons eines Bauteils oder Bauwerks (z. B. in Zweifelsfällen oder im Rahmen einer Zustandsuntersuchung). Prüfung Frischbeton Würfeldruckfestigkeit 1) Bohrkerndruckfestigkeit Dauerhaftigkeits eigenschaften an Norm konform hergestellten, nachbehandelten und gelagerten Probe- oder Prüfkörpern Dauerhaftigkeitseigenschaften an Bohrkernen (Alter 21 Tage) Dauerhaftigkeitseigenschaften an Bohrkernen (Alter > 21 Tage) Anforderungen an Probematerial, Prüf- und Probekörper Herstellung gemäss SN EN Nachbehandlung und Lagerung gemäss Norm SN EN Prüfung gemäss Norm SN EN Bohrkernentnahme gemäss Norm SN EN Alter, Nachbehandlung und/oder Lagerung variabel Prüfungsart Kriterien für Beurteilung der Ergebnisse projektspezifisch projektspezifisch Prüfung gemäss Norm SN EN Norm SN EN Herstellung gemäss Norm SN EN Nachbehandlung, Lagerung und Vorbereitung gemäss den einzelnen Anhängen der Norm SIA 262/1 Prüfung gemäss den einzelnen Anhängen der Norm SIA 262/1 Bohrkernentnahme gemäss Norm SN EN in der Zeit zwischen dem Ende der Nachbehandlung und einem Alter bis zu 21 Tagen Lagerung und Vorbereitung gemäss den einzelnen Anhängen der Norm SIA 262/1 Prüfung gemäss den einzelnen Anhängen der Norm SIA 262/1 nach 28 Tagen Bohrkernentnahme gemäss Norm SN EN im Alter von über 21 Tagen Lagerung und Vorbereitung unbestimmt Prüfung gemäss den einzelnen Anhängen der Norm SIA 262/1, jedoch späterer Zeitpunkt der Prüfung als 28 Tage, z.b. 90 Tage TT-1 TT-2 TT-3 Grenzwerte gemäss Norm SN EN Richtwerte gemäss Norm SN EN ) Für andere mechanische Eigenschaften als die Druckfestigkeit sind Herstellung, Nachbehandlung und Lagerung identisch, für die Prüfungen sind aber andere Prüfnormen anzuwenden. keine Tab : Möglichkeiten zur Überprüfung der Betoneigenschaften nach der Norm SN EN Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 125

64 3. Vom Frischbeton zum Festbeton 3. Vom Frischbeton zum Festbeton 3.11 Qualitätssicherung auf der Baustelle Tab : Häufigkeit der Frischbetonprüfungen an Beton nach Eigenschaften auf der Baustelle nach der Norm SN EN Die Prüfungen von Beton auf der Baustelle sind gleichmässig über die Betonierzeit zu verteilen. Sofern projektspezifisch nichts anderes festgelegt ist, gilt die Häufigkeit für die Prüfungen gemäss den Tabellen und Die Prüfhäufigkeit des Betons an Bohrkernen für die Prüfungsarten TT-2 und TT-3 ist objektspezifisch festzulegen. Die Anzahl der herzustellenden Prüfkörper für die Festbetonprüfungen in den Überwachungsklassen 2 und 3 ist entweder mengen- oder zeitabhängig. Die grössere Anzahl ist massgebend. Prüfungen müssen grundsätzlich für jeden Beton erfolgen. Betone mit gleichen Ausgangsstoffen und gleichem w/z-wert, aber anderem Grösstkorn der Gesteinskörnung, können als eine Betonfamilie betrachtet und die Anzahl der Prüfungen entsprechend angepasst werden. Die Häufigkeit der Prüfungen der AAR-Beständigkeit muss projektspezifisch festgelegt werden. Die Übertragbarkeit der Ergebnisse einer Beton- Performance-Prüfung ist im Merkblatt 2042 geregelt. Die Häufigkeit der Prüfungen des Sulfatwiderstand muss Frischbetonprüfung Lieferschein Gleichmässigkeit des Betons Konsistenz jedes Lieferfahrzeug Stichprobe mittels Sichtkontrolle in Zweifelsfällen immer projektspezifisch festgelegt werden. Die Übertragbarkeit der Ergebnisse einer Sulfatwiderstandsprüfung ist von einer Fachperson zu beurteilen. Gleiches gilt auch für das Schwinden und Kriechen. Die Konformitätskriterien für die Frisch- und Festbetoneigenschaften für die Prüfungsart TT-1 sind im Kapitel beschrieben. Die Annahmekriterien für die Ergebnisse der Dauerhaftigkeitsprüfungen für die Prüfungsart TT-2 sind in der Tabelle aufgeführt. Die Richtwerte dürfen nur dann als Grenzwerte verwendet werden, wenn deren Anwendbarkeit durch Versuche nachgewiesen wurde. Sie können objektspezifisch angepasst werden. Annahmekriterien für den E-Modul und das Schwinden und Kriechen sind ebenfalls objektspezifisch festzulegen. Das Nachweisverfahren der AAR-Beständigkeit an Bohrkernen ist nicht geeignet. Für die Prüfungsart TT-3 gemäss Norm SIA 262/1 gibt es keine Annahmekriterien. Überwachungsklasse jedes Lieferfahrzeug beim ersten Einbringen jeder Betonfamilie und alle 200 m 3 und in Zweifelsfällen Frischbetonprüfung Druckfestigkeit Wasserleitfähigkeit Chloridwiderstand Karbonati sierungswiderstand Frost- Tausalzwiderstand in Zweifelsfällen projektspezifisch keine Anforderung keine Anforderung Überwachungsklasse Prüfung pro Betonfamilie mind. 2-mal oder je 400 m 3 oder je 5 Produktionstage 1) projektspezifisch Prüfung pro Betonfamilie mind. 2-mal oder je 800 m 3 oder je 10 Produktionstage 2) Prüfung pro Betonfamilie mind. 2-mal oder je 800 m 3 oder je 10 Produktionstage 2) Prüfung pro Betonfamilie mind. 2-mal oder je 800 m 3 oder je 10 Produktionstage 2) AAR-Beständigkeit keine Anforderung projektspezifisch Sulfatwiderstand keine Anforderung projektspezifisch E-Modul Kriechen Schwinden projektspezifisch projektspezifisch projektspezifisch Prüfung pro Betonfamilie mind. 2-mal oder je 200 m 3 oder je 3 Produktionstage 1) Prüfung pro Betonfamilie mind. 2-mal oder je 400 m 3 oder je 5 Produktionstage 1) Prüfung pro Betonfamilie mind. 2-mal oder je 400 m 3 oder je 5 Produktionstage 1) Prüfung pro Betonfamilie mind. 2-mal oder je 400 m 3 oder je 5 Produktionstage 1) 1) Oder einmal je Kalenderwoche, falls innerhalb von 7 aufeinander folgenden Kalendertagen mehr als 5 Produktionstage vorliegen. 2) Oder einmal je 2 Kalenderwochen, falls innerhalb von 14 aufeinander folgenden Kalendertagen mehr als 10 Produktionstage vorliegen. Tab : Häufigkeit der Festbetonprüfungen an normkonform hergestellten, gelagerten und vorbereiteten Probebzw. Prüfkörpern (Prüfverfahren TT-1 gemäss Norm SIA 262/1) nach der Norm SN EN Rohdichte w/z-wert Luftgehalt des Frischbetons bei LP-Zusatz 1) in Zweifelsfällen keine Anforderung keine Anforderung beim ersten Einbringen jeder Betonfamilie und alle 200 m 3 und in Zweifelsfällen beim ersten Einbringen jeder Betonfamilie und alle 200 m 3 und in Zweifelsfällen beim ersten Einbringen jeder Betonfamilie und alle 200 m 3 und in Zweifelsfällen 1) Die Prüfung am Frischbeton wird nur durchgeführt, wenn ein Luftporenmittel eingesetzt wird. Prüfung Prüfung gemäss Norm SIA 262/1 Richtwert für Mittelwert Wasserleitfähigkeit qw Anhang A 12 g/m 2 h 14 g/m 2 h Karbonatisierungswiderstand K N 1) 50 Jahre 2) Richtwert für Mittelwert und Grenzwertabweichung 5.3 mm/jahr 1/2 5.8 mm/jahr 1/2 XC3: 4.3 mm/jahr 1/2 XC3: 4.6 mm/jahr 1/2 Anhang I 100 Jahre 2) XC4: 4.8 mm/jahr 1/2 XC4: KN 5.1 mm/jahr 1/2 Chloridwiderstand DCl Anhang B m 2 /s m 2 /s Tab : Aufnahmekriterien für Prüfungen an Beton nach Eigenschaften an Bohrkernen aus einem Bauteil/Bauwerk (Prüfungart TT-2) nach der Norm SN EN Abb : Frischbetonkontrolle auf der Baustelle. Frost- Tausalzwiderstand mittel hoch Anhang C m 1500 g/m 2 m 2200 g/m 2 m 300 oder m 800 g/m 2 und m28 ( m6 + m14) m 400 oder m 1000 g/m 2 und m28 ( m6 + m14) Sulfatwiderstand Anhang D l 1.2 projektspezifisch festzulegen 1) Die angegebenen Grenzwerte gelten für die Bewehrungsüberdeckung gemäss Norm SIA ) Nutzungsdauer. 126 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 127

65 Kapitel 4 Betone mit besonderer Verarbeitung 4.1 Pumpbeton Einleitung Normative Anforderungen Betontechnologie Hinweise für das Planen von Pumpbeton Spritzbeton Einleitung Normative Anforderungen Betontechnologie Hinweise für das Planen von Spritzbeton Selbstverdichtender Beton Einleitung Normative Anforderungen Betontechnologie Hinweise für das Planen von selbstverdichtendem Beton Monobeton Einleitung Normative Anforderungen Betontechnologie Hinweise für das Planen von Monobeton 152

66 4. Betone mit besonderer Verarbeitung 4. Betone mit besonderer Verarbeitung 4.1 Pumpbeton 4.1 Pumpbeton Einleitung Entladung von 8 m 3 Beton Das Einbringen von Beton durch Pumpen hat sich als einfache und kostengünstige Methode in den letzten Jahrzehnten bewährt. Ein Beton ist pumpfähig, wenn seine Konsistenz eine Förderung mittels Betonpumpe erlaubt und der Frischbeton während des gesamten Pumpvorganges homogen bleibt. Pumpbeton kann praktisch für alle Bauteile eingesetzt werden, besonders wenn eine hohe Einbringleistung gefordert wird oder der Einbringort schwer zugänglich ist. Folgende Vorteile verbinden sich mit dem Pumpen von Beton: schneller Einbau (je nach Bauteilquerschnitt zwischen 30 bis 150 m 3 /h, üblicherweise ca. 90 m 3 /h) kein Kran notwendig bzw. vorhandener Kran kann für andere Arbeiten genutzt werden Einbau auch bei schwer zugänglichen Objekten, z. B. gedeckte Bauteile, Tunnel Erleichterung des Betoneinbaus für die Einbauequipe sauberes Einbringen in die Schalung Überbrückung grosser Distanzen und Höhen zum Einbauort (Förderdistanz bis 2000 m und Förderhöhen bis 500 m) kontinuierlicher und rascher Einbau fördert die Betonqualität, Schüttlagen sind durch rascheren Einbau weniger sichtbar Vermeidung grosser Fallhöhen des Betons durch Führung des Pumpschlauches in die Wandschalung hinein Für die Entladung von Beton ist das Pumpen die weitaus schnellste Variante im Vergleich zu Schubkarre oder Krankübel. In der Abbildung sind beispielhaft die Entladezeiten für 8 m 3 Transportbeton aufgeführt. So kann der Beton eingebaut und verdichtet werden, bevor er wesentlich ansteift. Das wirkt sich positiv auf die Qualität des Betons aus, nicht zuletzt bei Sichtbeton oder Betonen mit hohen Dauerhaftigkeitsanforderungen. In der Praxis wird zwischen Autobetonpumpen und stationären Betonpumpen unterschieden (Abb und 4.1.3). Für kleinere Förderleistungen und/oder Kubaturen eignet sich eine Fahrmischerpumpe. Pumpe 30 m 3 /h 3 Personen Entladezeit 12 min Kran 6 m 3 /h bei 200 l Kübel und 2 min Kranfahrt Entladezeit 60 min Schubkarren 3 m 3 /h bei 6 Schubkarren à 50 l und 6 min Fahrt Entladezeit 120 min 5 Personen 7 Personen Abb : Richtwerte für den Zeitbedarf beim Entladen von 8 m 3 Beton in Abhängigkeit der verwendeten Fördermethode. Abb : Betonieren einer grossen Bodenplatte mit einer Autobetonpumpe, beschickt durch Fahrmischer Normative Anforderungen Die grundlegenden Anforderungen von Beton nach Eigenschaften gemäss der Norm SN EN sind für Pump- und Kranbeton gleich. Pumpbeton ist als zusätzliche Anforderung zu bezeichnen Betontechnologie Zement Für die Herstellung von Pumpbeton eignet sich grundsätzlich jeder nach Norm SN EN zugelassene Zement. Gesteinskörnung Korngrössenverteilung Die Korngrössenverteilung der Gesteinskörnung sollte so gewählt werden, dass die Sieblinie durch einen möglichst stetigen Verlauf gekennzeichnet ist. Neben einem stetigen Verlauf sollte die Sieblinie auch einen ausreichend hohen Feinmörtelgehalt aufweisen. Schwankungen in der Kornverteilung, insbesondere bei der Korngruppe 0/4 mm (Sand), sind oft die Ursache für eine ungenügende Pumpbarkeit. Die Korngruppe 4/8 mm sollte auf max. 10 M.-% begrenzt sein (Abb ). Siebdurchgang [M.-%] Sieböffnung [mm] Abb : Betonförderung mit stationärer Betonpumpe (Anhängerpumpe) und fester Pumpleitung, beschickt durch Fahrmischer. Kornform Betonmischungen mit gebrochenen Gesteinskörnern erfordern eine höhere Zementleimdosierung und einen höheren Pumpendruck. Grösstkorn Als Näherungswert gilt, dass der Rohrleitungsdurchmesser mindestens dem 3-fachen des Grösstkorndurchmessers entsprechen soll. Wird Beton mit gebrochener Gesteinskörnung mit D max 32 mm durch Rohre mit 100 mm Durchmesser gepumpt, sollte der Anteil Überkorn 5 M.-% nicht überschreiten. Mehlkorngehalt und Feinmörtelvolumen Wichtige betontechnologische Kenngrössen für Pumpbeton sind der Mehlkorngehalt und das Feinmörtelvolumen. Das Mehlkorn mit dem Wasser und allfälligen Zusatzmitteln sowie die Gesteinskörnung < 2 mm ergeben den Feinmörtel, der für die Planung von Pumpbeton herangezogen wird. Er soll alle groben Gesteinskörner vollständig umhüllen, um die erforderliche Gleitschicht an der Rohrwand der Pumpleitung sicherzustellen (Abb ). Ist das Feinmörtelvolumen zu gering, wird der Förderdruck nicht durch den Mörtel, sondern überwiegend durch Kornkontakt übertragen. Dadurch entsteht ein überhöhter Querdruck infolge Keilwirkung der groben Günstiger Bereich für Pumpsieblinie 0/16 Günstiger Bereich für Pumpsieblinie 0/32 Siebdurchgang [M.-%] Sieböffnung [mm] Abb : Sieblinien für Pumpbeton mit D max = 16 mm (links) und D max = 32 mm (rechts). Bewährte Kornzusammensetzungen befinden sich im Bereich zwischen den roten Linien (logarithmische Darstellung). 130 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 131

67 4. Betone mit besonderer Verarbeitung 4.1 Pumpbeton Abb : Schmierfilm, Gleitschicht des Betons an der Rohrinnenwand. Tab : Richtwerte für Mehlkorngehalt und Feinmörtelvolumen von Pumpbetonen mit überwiegend runder Gesteinskörnung in Abhängigkeit vom Grösstkorn. Gesteinskörner, der durch Reibung weiter ansteigt. Ein solcher Beton hat einen hohen Förderwiderstand und lässt sich nur schwer pumpen oder führt zu Verstopfern. Die Wirtschaftlichkeit des Pumpens geht damit verloren. Pumpfähiger Beton sollte ausserdem einen guten Zusammenhalt und ein gutes Wasserrückhaltevermögen aufweisen. Damit wird vermieden, dass sich der Beton in der Pumpe entmischt, besonders bei Pumpunterbrüchen. Schmierfilm Gesteinskörnung Für die Überprüfung einer ausreichenden Pumpbarkeit werden der Mehlkorngehalt und das Feinmörtelvolumen betrachtet. In Tabelle sind Richtwerte für Pumpbetone mit runder Gesteinskörnung aufgeführt. Bei überwiegend gebrochener Gesteinskörnung sind die entsprechenden Angaben um mindestens 10 % zu erhöhen. Grösstkorn der Gesteinskörnung [mm] Pumprichtung Zementleim Mehlkorngehalt * [kg/m 3 ] Pumprohr Feinmörtelvolumen ** [l/m 3 ] * Masse von Zement, Zusatzstoffen und Gesteinskörnung mm ** Volumen von Zement, Zusatzstoffen, Gesteinskörnung 2 mm, Wasser, Zusatzmittel und Luft Zusatzstoffe Von allen Zusatzstoffen eignet sich die Flugasche mit ihrer kugeligen Form besonders gut, um die Pumpfähigkeit von Betonen zu verbessern. Eine Zugabemenge von 30 bis 50 kg/m 3 führt zu einer Verbesserung der Pumpbarkeit. Darüber hinaus zeichnet sie sich durch einen geringen Wasseranspruch aus. Bei überwiegend gebrochener Gesteinskörnung sollte sie ergänzend zur Anpassung der Kornzusammensetzung (Erhöhung des Sandanteils) verwendet werden. Zusatzmittel In der Regel werden für die Einstellung einer geeigneten Konsistenz des Pumpbetons Fliessmittel benötigt. Zur Verbesserung der Pumpbarkeit können sogenannte Pumphilfen eingesetzt werden. Pumphilfen verbessern das Zusammenhaltevermögen des Frischbetons, reduzieren das Bluten und verhindern das Entmischen. Pump hilfen ersetzen aber nicht die Optimierung der Beton zusammensetzung hinsichtlich eines ausreichenden Mehl korn gehaltes und Feinmörtelvolumens. Verarbeitbarkeit und Konsistenz Für das Pumpen eines steifen Betons ist ein höherer Förderdruck erforderlich als für einen weichen Beton. Deshalb eignen sich Betone mit plastischer bis weicher Konsistenz besonders gut zum Pumpen. Bei weichen Betonen muss sichergestellt sein, dass sie über ein genügend hohes Feinmörtelvolumen für ausreichende Stabilität und Zusammenhalt verfügen und keine Entmischungs neigung aufweisen. Diese können sonst zu Verstopfungen in der Rohrleitung führen. Daraus leitet sich die Empfehlung zum Konsistenzbereich von Pumpbetonen ab, die ein Ausbreitmass von 420 bis 480 mm (F3) vorsieht und alternativ, wenn auch als Prüfverfahren weniger geeignet, ein Verdichtungsmass nach Walz von 1.10 bis 1.04 (C3). Selbstverdichtende Betone (SCC) sind immer pumpbar. Einbringen und Verdichten Anpumpen Für die Benetzung der Rohrinnenwand ist eine bestimmte Mehr-Menge an Zementleim erforderlich, da dieser Zementleim beim Anpumpen dem ersten durch die Förderleitung fliessenden Beton entzogen wird. Aus diesem Grund sollte zum Anpumpen eine mit Zementleim angereicherte Schmiermischung dem ersten Beton vorausgeschickt werden. Schmiermischungen werden immer seltener vor Ort gemischt, sondern beim Transport betonhersteller bestellt. Für Förderlängen bis zu 100 m ist in der Regel eine 500 l Schmiermischung ausreichend, die aus zwei Teilen Zement und je einem Teil Sand und Wasser zusammengesetzt ist. Für eine längere Verarbeitungszeit wird die Zugabe eines Verzögerers empfohlen. Eine grössere Menge an Schmiermischung ist in Abhängig - keit vom Rohrdurchmesser für grössere Förderlängen zu wählen (Tab ). Die zum Anpumpen erforderliche Schmier mischung (ca. 0.5 m 3 ) darf nicht für tragende Betonbauteile verwendet werden und muss fachgerecht entsorgt werden. Länge der Förderleitung [m] Menge Schmiermischung [l] Durchmesser der Förderleitung 100/125 [mm] Durchmesser der Förderleitung 150/180 [mm] Tab : Empfohlene Menge Schmiermischung in Abhängigkeit vom Rohrdurchmesser und der Länge der Förderleitung. Pumpen von Spezialbetonen Faserbeton Die Beigabe von Fasern führt generell zu einer steiferen Konsistenz des Betons. Kunststofffasern (PP- oder PVA- Fasern) reduzieren bereits bei kleinen Zugabemengen (1 bis 2 kg/m 3 ) die Konsistenz des Betons. Die Verwendung von Stahlfasern (30 bis 50 kg/m 3 ) hat einen geringeren Einfluss auf die Betonkonsistenz, kann aber bei Querschnittsveränderungen in der Pumpleitung und Bögen zu Verstopfungen führen. Der faserbedingte Konsistenzverlust kann durch einen erhöhten Zementleimgehalt wieder ausgeglichen werden. Unter Beibehaltung eines w/z-wertes von z. B und des Sandgehalts kann mit 20 kg Zement und 10 Litern Wasser der Zementleimgehalt um ca. 17 l/m 3 erhöht werden. Die alleinige Erhöhung des Sandgehaltes hat sich in der Praxis als nicht ausreichend erwiesen. Die Mischzeit muss bei Fasern auf 120 Sekunden verlängert werden. Leichtbeton In der Regel sind Leichtbetone mit einer Rohdichte von mehr als 1600 kg/m 3 pumpbar. Versuche werden empfohlen. Luftporenbeton Künstlich eingeführte Mikroluftporen von > 5 Vol.-% können bei langen Pumpleitungen die Pumpleistung deutlich reduzieren. Je nach Förderweite und -höhe kann der Pumpendruck kurzfristig über 150 bar ansteigen, wodurch eine Kompression der Luftporen im Frischbeton erfolgt. Ausserdem werden durch das Pumpen der Gehalt und die Verteilung der Mikroluftporen selbst und die Verarbeitbarkeit beeinflusst. Die Frischbetonprüfung eines Luft porenbetons sollte daher immer nach der Pumpe vorgenommen werden. Der Verlust an Luftporen durch Pump förderung kann 0.5 bis 2 Vol.-% betragen und muss durch eine Anpassung der Dosierung des Luftporenmittels korrigiert werden Hinweise für das Planen von Pumpbeton Allgemeines Um ein wirtschaftliches Pumpen des Betons sicherzustellen, sollten folgende Hinweise beachtet werden: Ein reibungsloser Ablauf ist durch frühzeitige Absprache zwischen Betonpumpenbetreiber, Bau unternehmen und Betonlieferanten sicherzustellen. Die Anlieferungsfrequenz des Betons und die Förderleistung der Betonpumpe sind der Einbauleistung der Verarbeitungsequipe anzupassen. Der Transport des Pumpbetons zur Betonpumpe sollte zur Vermeidung jeglicher Entmischungen nur mit Fahrmischern erfolgen. Sicherheitsaspekte beim Einsatz von Betonpumpen Das Fördern und Einbauen von Pumpbeton birgt Gefahren. Es muss insbesondere geprüft werden: ob die Wand- und Stützenschalungen dem erhöhten Schalungsdruck des Pumpbetons (höhere Steiggeschwindigkeit) angepasst sind. ob Stromfreileitungen im Einsatzbereich des Auslegers der Betonpumpe verlaufen. ob die Grösse des Pumpeninstallationsplatzes genügt, um die Abstützungen der Betonpumpe vollständig auszufahren (Kippgefahr). ob die Tragfähigkeit des Pumpeninstallationsplatzes genügt. 132 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 133

68 4. Betone mit besonderer Verarbeitung 4. Betone mit besonderer Verarbeitung 4.2 Spritzbeton 4.2 Spritzbeton Einleitung Die Vorteile des Nassspritzverfahrens sind vor allem: Spritzbeton wird nach der Art seiner Verarbeitung bezeichnet. Wie der Name sagt, wird er in einem geschlossenen, überdruckfesten Schlauch und/oder in einer Rohrleitung zur Einbaustelle gefördert und dort durch Spritzen mit hoher Geschwindigkeit aufgebracht. Durch die Wucht des Aufpralls (Verdichtungsenergie) verdichtet sich der Beton beim Auftreffen an der Auftragsfläche. Dabei prallt ein Teil des Spritzguts, das Rückprallgut, zurück. Spritzbeton zeichnet sich durch verschiedene Vorteile aus: Auftrag in alle Richtungen, sofort gute Haftung am Untergrund dank Auftrag unter hohem Druck (Verkrallung) applizierbar auf allen Unebenheiten des Untergrundes absolut flexible, örtliche Gestaltung der Schichtdicke Betonieren ohne Schalungen Ausführung auch als bewehrter Spritzbeton möglich (Stabarmierungen/Faserbewehrungen) rasche Schalentragwirkung herstellbar, ohne Formen (Schalungen) und lange Wartezeiten. Erhöhung der Spritzleistung, im Einzelfall bis zu 25 m 3 /h Reduktion der Rückprallmenge um das Doppelte bis Vierfache deutliche Verbesserung der Arbeitsbedingungen dank reduzierter Staubbildung Senkung der Verschleisskosten an der Spritzeinrichtung Verringerung des Druckluftmengenbedarfs bei der Spritzapplikation verbesserte Festigkeits- und Dauerhaftigkeitseigenschaften dank kontrollierter Zugabewassermenge Trockenspritzbeton Treibluft Trockengemisch Trockenspritzmaschine Zugabewasser und ggf. flüssige Zusätze stets Dünnstromförderung Auftragsfläche Spritzdüse Abb : Aufbringen von Nassspritzbeton mit einem Spritzbetonroboter. Verfahren Trockenspritzen Nassspritzen Wassergehalt der Gesteinskörnung < 5 M.-% Keine Anforderungen Korngrösse 8 (max. 16) mm Zement Zement nach SN EN Zementgehalt 350 kg/m kg/m 3 Erstarrungsbeginn ohne Beschleuniger Beschleunigerzugabe an der Düse Herstellungsort des Spritzguts Transportbetonwerk oder Trockenmischung Abb : Trockenspritzen bei einer Felssicherung. > 120 Minuten Ja Transportbetonwerk Fördergerät/System Rotor (pneumatisch) Betonpumpe (hydraulisch) Wassergehalt des Spritzguts < 4 M.-%, erdfeucht Nass Tab : Details zum Trocken- und Nassspritzverfahren. Es wird zwischen dem Trocken- und dem Nassspritzverfahren unterschieden (Abb und Tab ). Die Verfahren unterscheiden sich in der Zusammensetzung der Ausgangs mischung und den Spritzbetonmaschinen. Beim Trocken spritzverfahren wird ein Trockengemisch gefördert, dem erst an der Spritzdüse das Zugabewasser mit oder ohne Beschleuniger zugegeben wird. Beim Nassspritzverfahren ist das Zugabewasser bereits im Ausgangsgemisch des Spritzguts enthalten. Zur Erzeugung der nötigen Aufprallgeschwindigkeit wird dem Spritzgut an der Düse Druckluft zugeführt. Nassspritzbeton Treibluft Nassgemisch Nassspritzmaschine Dünnstromförderung Auftragsfläche Strahlrohr Förderart Dünnstrom Dichtstrom/Dünnstrom Trockenspritzbeton findet immer dann seine Anwendung, wenn geringere Mengen und Leistungen notwendig, aber höchste Frühfestigkeiten, beispielsweise zur Vorabdichtung von starkem Wasseranfall, unabdingbar sind. Haupteinsatzgebiete für Trockenspritzbeton sind u. a. Betoninstandsetzung, Abdichtungsarbeiten, Vorsicherungsarbeiten (bei starkem Wasseranfall) sowie kleinere Spritzarbeiten (Siloware vor Ort). Nassspritzbeton findet immer dann seine Anwendung, wenn hohe Festbetonqualitäten gefordert sind und hohe Spritzleistungen verlangt werden. Nassgemisch Betonpumpe Treibluft und ggf. flüssige Zusätze Dichtstromförderung Auftragsfläche Spritzdüse Die Vorteile des Trockenspritzbetons sind vor allem: hohe Flexibilität zeitlich unabhängiges Logistikkonzept höchste Frühfestigkeiten beinahe unbegrenzte Vorhaltezeit (Verfügbarkeit) bei siliertem Material kein Restbeton Abb : Spritzbetonverfahren. Beim Trockenspritzbeton verschlechtern die hohen Rückprallmengen die Staubentwicklung und die höheren Verschleisskosten die Wirtschaftlichkeit. 134 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 135

69 4. Betone mit besonderer Verarbeitung 4.2 Spritzbeton Tab : Spezifische normative Grundlagen für Spritzbeton Normative Anforderungen Ausschreibung Grundsätzlich gelten die Norm SN EN und die dazugehörigen Produktnormen für die verwendeten Ausgangsstoffe Zement, Zusatzstoffe, Gesteinskörnung und Zusatzmittel sowie deren Prüfungen, sofern sie für Spritzbeton anwendbar sind. Für Spritzbeton gilt die Norm SN EN (Tab ). Norm SN EN SN EN Bezeichnung Spritzbeton Teil 1: Begriffe, Anforderungen, Konformität Spritzbeton Teil 2: Ausführung Anforderungen Prüfnorm Frühdruckfestigkeit SN EN Wassereindringwiderstand SN EN Wasserleitfähigkeit Brandverhalten SIA 262/1, Anhang A projektspezifisch festzulegen Haftzugfestigkeit SN EN 1542 wirksame Biegezugfestigkeit Energieabsorptions vermögen (bei faser bewehrtem Spritzbeton) SN EN SN EN oder SIA 162/6 Anhang 1 Druckfestigkeit [N/mm 2 ] Klasse J 3 Klasse J 2 Klasse J Minuten Stunden Zwischen Kurve A und B: Klasse J 1 Zwischen Kurve B und C: Klasse J 2 Über Kurve C: Klasse J 3 Abb : Frühdruckfestigkeitsklassen von Spritzbeton nach der Norm SN EN C B A Klasse J 1 J 2 J 3 Anwendungsbereich Auftrag von dünnen Lagen auf trockenem Untergrund ohne besondere statische Anforderungen, Auftrag verursacht wenig Staub und Rückprall. Auftrag in dicken Lagen auch über Kopf mit hoher Leistung, bei geringem Wasserandrang und bei Beanspruchung durch unmittelbar nachfolgende Arbeiten, z. B. Bohren von Ankerlöchern, Eintreiben von Dielen, Erschütterung durch Sprengen, rasch auftretende Einwirkungen aus dem Gebirge, z. B. Gebirgsdruck. Auftrag nur in begründeten Fällen, z. B. bei grossem Wasserandrang oder unstabilem Untergrund, da mit erhöhter Staubbildung und vermehrtem Rückprall zu rechnen ist. Tab : Anwendungsbereiche der Frühdruckfestigkeitsklassen für Spritzbeton gemäss der Norm SN EN SIA 198 Untertagbau Ausführung (Untertagbau, Verfestigung von Boden) Tab : Zusätzliche spritzbetonspezifische Anforderungen und deren Prüfnormen. Tab : Anforderungen an den Spritzbeton und empfohlene Anwendungsbereiche im Untertagebau gemäss Norm SIA 198. SIA 269/2 Erhaltung von Tragwerken Betonbau (Instandsetzung und Verstärkung von Betonbauten, inkl. Untertagbauten) Es wird empfohlen, Spritzbeton nach Eigenschaften festzulegen. Für die Zusammensetzung des Betons gelten mit Ausnahme des Mindestzementgehaltes die Anforderungen der Norm SN EN Für Anwendungen im Untertagbau wird in der Norm SIA 198 eine Zuordnung von Spritzbetonklassen, abgekürzt mit SC, und Expositionsklassen vorgenommen (Tab ). Spritzbeton für die Erhaltung von Tragwerken wird in der Norm SIA 269/2 geregelt. Für die Festlegung eines Spritzbetons nach Eigenschaften müssen wie für Normalbeton die grundlegenden Anforderungen definiert werden. Bei Nassspritzbeton wird die Konsistenzklasse ausgeschrieben. Zusätzliche spritzbetonspezifische Anforderungen können ebenfalls ausgeschrieben werden (Tab ). Nachweis Der Nachweis der Anforderungen für die Festbetoneigenschaften erfolgt in der Regel an Bohrkernen. Die Bestimmung der Frühdruckfestigkeit erfolgt vor Ort, abhängig Prüfmethode Penetrationsnadelverfahren nach SN EN Bolzensetzverfahren nach SN EN Druckfestigkeitsprüfung am Bohrkern mit Durchmesser und Höhe von 50 mm nach SN EN vom Zeitpunkt mittels Penetrationsnadel- oder Bolzensetzverfahren (Tab ). Für die Festigkeitsentwicklung des jungen Spritzbetons innerhalb der ersten 24 Stunden werden drei Festigkeitsklassen J 1, J 2, und J 3 unterschieden (Abb ). Diese Frühdruckfestigkeitsklassen können Anwendungsbereichen zugeordnet werden (Tab ). Spritzbetonklassen Zeit bei Prüfung [h] Eigenschaft SC1 SC2 SC3 SC4 SC5 SC6 SC7 Druckfestigkeitsklassen C16/20 C25/30 C25/30 C30/37 C30/37 C30/37 C35/45 Expositionsklasse X0 X0 XA1, XD1 XA1, XD1 XA2, XD1 XA1, XD1, XC3, XF3 Frühdruck festig - keit bei Prüfung [N/mm 2 ] > 16 > 10 Tab : Zusammenstellung der Prüfmethoden zur Messung der Frühdruckfestigkeit. XA1, XD3, XC3, XF3 Grösstkorn, max. [mm] Chloridgehaltsklasse Cl 1.0 Cl 1.0 Cl 1.0 Cl 0.2 Cl 0.2 Cl 0.2 Cl Betontechnologie Zement Für Spritzbeton ist es besonders wichtig, Zemente mit hoher Feinheit und schneller Festigkeitsentwicklung, z. B. Robusto 4R-S, auszuwählen. Die Zementfestigkeitsklasse sollte 42,5 und höher sein. Der Zementgehalt liegt je nach Spritzbetonverfahren im eingebauten Zustand zwischen 300 kg/m 3 und 450 kg/m 3. Gesteinskörnung Die Kornzusammensetzung sollte eine stetige Sieblinie haben. In Abbildung ist bespielhaft eine Sieblinie für Spritzbeton mit D max = 8 mm angegeben. Ein hoher Anteil an Grobkorn wirkt sich ungünstig in Bezug auf den Rückprall aus. Der Grösstkorndurchmesser sollte auf ein Drittel des Förderleitungsdurchmessers begrenzt werden. Natürliches, rundes Korn bewirkt weniger Verschleiss in den Maschinenaggregaten (Spritzdüse, Förderleitungen) als gebrochenes Korn. Korngemisch 0/8 mm Spritzbeton, Kategorie GA85 Siebdurchgang [M.-%] Sieböffnung [mm] Abb : Sieblinie für Spritzbeton mit D max = 8 mm. Bewährte Kornzusammensetzungen befinden sich im Bereich zwischen den roten Linien (logarithmische Darstellung). Für Trockenspritzbeton ist die Schüttdichte des Korngemischs anzugeben. Die Eigenfeuchte des naturfeuchten Trockengemischs sollte 2 4 M.-% betragen. Der Mehlkorngehalt für einen Spritzbeton D max = 8 mm sollte zwischen 450 kg/m 3 und 500 kg/m 3 liegen, um optimale Verhältnisse für die Verarbeitbarkeit, den Zusammen halt und die Frühfestigkeit zu erhalten (roter Bereich in Abb ). Zusatzmittel Eine schnelle Abbindezeit ist bei Spritzbeton zwingend erforderlich. Aus diesem Grunde werden Erstarrungsbeschleuniger verwendet, um die Zeit vom Beginn des Überganges der Mischung vom plastischen in den festen Zustand zu verringern (siehe Kapitel 1.4). Durch den Einsatz von Erstarrungsbeschleunigern lassen sich zudem schneller dicke Schichten aufbringen (ca cm über Kopf). Die vorgegebene Dosierung des Erstarrungsbeschleunigers sollte mit einer Ergiebigkeitsprüfung überprüft werden. Abb : Betonschale aus Spritzbeton. (Quelle: Simone Mengani, Chiasso). 136 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 137

70 4. Betone mit besonderer Verarbeitung 4.2 Spritzbeton Abb : Einfluss des Mehlkorngehaltes auf die Frisch- und Fest - beton eigen schaften für einen Spritzbeton D max = 8 mm. (Quelle: Sika Schweiz AG, Zürich). Gundsätzlich dürfen in der Schweiz aufgrund der Arbeitshygiene/-sicherheit nur alkalifreie Erstarrungs beschleuniger für Spritzbeton eingesetzt werden. Die Wirkungsweise der alkalifreien, überwiegend aluminathaltigen Beschleuniger beruht auf zwei chemischen Reaktionen, die sich zeitlich überlappen und gegenseitig beeinflussen (siehe Kapitel 2.1.2): Aluminatreaktion aufgrund Beschleunigerzugabe (C 3 A-Reaktion) Silikatreaktion des Zementes (C 3 S-Reaktion) In Abbildung sind die zeitliche Entwicklung der Druckfestigkeit für einen beschleunigten Spritzbeton sowie die zeitlichen Phasen der chemischen Reaktionen schematisch dargestellt. Daneben können noch Fliessmittel, Stabilisierer und Pumphilfen beim Nassspritzbeton eingesetzt werden. Die Betontemperatur sollte über 15 C sein. Zusatzstoffe Silikastaub hat von allen zugelassenen Zusatzstoffen die grösste Bedeutung beim Spritzbeton, weil er sowohl die Frisch- als auch die Festbetoneigenschaften verbessert. Der Zusatz von Silikastaub im Spritzbeton (siehe Kapitel 1.5) führt zu: geringerem Rückprall und geringerer Staubbildung aufgrund hoher Klebrigkeit besserer Pumpbarkeit höherer Festigkeit höherer Gefügedichte und damit erhöhtem Widerstand gegen das Eindringen von bauschädlichen Salzen hoher Dauerhaftigkeit (z. B. Frost- und Tausalzbeständigkeit, Sulfatbeständigkeit) Gehalt an Zement und reaktiven Zusatzstoffen [kg/m 3 ] Mehlkorngehalt > 500kg/m 3 Optimaler Bereich für Verarbeitbarkeit, Struktur, Zusammenhalt und Frühfestigkeit Mehlkorngehalt < 450kg/m 3 Mehlkorngehalt < 400kg/m 3 Mehlkorngehalt < 350kg/m 3 Zur Erhöhung des Tragvermögens von Spritzbeton werden Fasern aus Stahl oder Kunststoff verwendet. Am häufigsten kommen Stahlfasern zum Einsatz. Stahlfasern verbessern vor allem die Zugfestigkeit und das Energieabsorptionsvermögen. w/z-wert Der w/z-wert hat wie beim Normalbeton einen entscheidenden Einfluss auf die Festigkeit und die Dauerhaftigkeit. Beim Trockenspritzbeton variiert der Wert zwischen 0.45 und 0.55 und ist von der subjektiven Einschätzung des Düsenführers abhängig. Beim Nassspritzverfahren ist der w/z-wert genau kontrollierbar. Übliche w/z-werte liegen zwischen 0.40 bis Feinstanteile 0.125mm aus Gesteinskörnung und inerten Zusatzstoffen [kg/m 3 ] 1 Schlechte Haftung am Untergrund Verbundversagen 2 Risiko von Sedimentation und Bluten Blockierungen 3 Schlechte Verarbeitbarkeit Schlechte Pumpbarkeit 4 Klebriger Beton Schlechte Vermischung von Beschleuniger und Beton 5 Tiefe Frühfestigkeit 4 Druckfestigkeit f c [N/mm 2 ] min 3h 10h 24h 28d Zeit Beschleunigter Spritzbeton Aluminatreaktion aufgrund Beschleunigerzugabe (C 3 A-Reaktion) Silikatreaktion des Zements (C 3 S-Reaktion) Abb : Druckfestigkeitsentwicklung für einen beschleunigten Spritzbeton. (Quelle: Sika Schweiz AG, Zürich). Bindemittel < 400kg/m Hinweise für das Planen von Spritzbeton Verfahrenstechnik Keine andere Verarbeitungstechnologie erfordert so umfangreiche Kenntnisse und praktische Erfahrung wie der Spritzbeton. Festigkeits- und Dichtigkeitseigenschaften sowie Rückprall und Staubentwicklung des Spritzbetons werden massgeblich neben der Betontechnologie durch die Verfahrenstechnik beeinflusst (Tab ). Die Ausführung von Spritzbetonarbeiten ist deshalb Firmen mit den entsprechenden Fachkräften und Maschinen vorbehalten. Mischer Zwischentransport Umschlag in Spritzmaschine Spritzmaschine Förderleitung Düsentechnik Typ Mischzeit Dosierung Transportgerät Transportzeit Schutz vor Austrocknung/Regen Umgebungstemperatur Umschlagart Nachmischung Umschlagzeit Typ Art der Förderung Maschinist/Wartung Druck Leistung Material (Kunststoff/Stahl) Geometrie (Länge, Krümmungsradien, usw.) Geometrische Form Art der Luft- bzw. Wasserzugabe Luft- bzw. Wasserdruck Tab : Einflussfaktoren der Verfahrenstechnik auf die Qualität des Spritzbetons. Rückprall Die Reduktion des Rückpralls von Spritzbeton während des Spritzprozesses ist eine der grössten Herausforderungen in der Spritzbetonbauweise. Die Rückprallmenge wird beeinflusst durch: Fachkompetenz und Erfahrung des Düsenführers Spritzverfahren (trocken, nass) Spritzrichtung (oben, unten, horizontal) Spritzeinrichtung (Luftdruck, Düse, Spritzleistung) Abstand Düse zum Untergrund Untergrundbeschaffenheit (Ebenheit, Haftung) Spritzbetonausgangsstoffe (Zement, Gesteinskörnung, Korngrössenverteilung, Beschleuniger, Fasern) Spritzbetoneigenschaften (Klebrigkeit, Schichtdicke, Frühdruckfestigkeit) Bewehrung Ohne Messungen des Rückpralles unter den vor Ort herrschenden Gegebenheiten kann die Rückprallmenge nur grob abgeschätzt werden: Rückprall beim Trockenspritzbeton M.-% Rückprall beim Nassspritzbeton 5 15 M.-% Für die Zusammensetzung des Rückpralls gilt folgende Faustregel: M.-% Gesteinskörnung 10 M.-% Zement M.-% Wasser Der mittlere Zementgehalt kann sich in der fertig applizierten Spritzbetonschicht um 10 bis 40 % erhöhen. Aus dem hohen Anteil der Gesteinskörnung am Rückprallgut leitet sich die Reduzierung des Gehalts an grober Gesteinskörnung ab. Massnahmen bei der Ausführung Neben den Materialprüfungen sind auch Ausführungsprüfungen, wie z. B. Hohlstellen, Haftzugfestigkeit auf dem Untergrund, Profilgenauigkeit, Einbettung der Bewehrung usw. objektspezifisch durchzuführen. Spritzbeton darf nur auf saubere, gereinigte Oberflächen aufgetragen werden, die, abgesehen von Spezialfällen (z. B. Gefrierverfahren), eine Temperatur über +2 C aufweisen. Der Spritzbeton muss auf der gesamten Auftragsfläche haften. Trockene Auftragsflächen sind vorgängig so zu befeuchten, dass sie dem frischen Spritzbeton möglichst wenig Wasser entziehen. Massnahmen zum Fernhalten des Bergwassers sind zu treffen. Wassereintritte, die den Spritzbeton schädigen oder die Haftung einschränken könnten, müssen verdrängt oder gefasst und abgeleitet werden. Diese Massnahmen müssen kontrolliert werden und solange wirksam bleiben, bis der Spritzbeton die Belastung aufzunehmen vermag. Spritzbetonklassen SC6 und SC7 mit erhöhten Anforderungen sind mit besonderen Nachbehandlungsmassnahmen (z. B. Bedüsung) vor zu schnellem Austrocknen zu schützen. Betonzusammensetzungen Die Spritzbetonzusammensetzung ist abhängig von den geforderten Zielvorgaben. In Tabelle und Tabelle sind je ein Beispiel einer Rezeptur für einen Nassspritzbeton und für einen Trockenspritzbeton angegeben. Nassspritzbeton Der Mischungsentwurf eines Nassspritzbetons richtet sich vornehmlich an die geforderten Festbetoneigenschaften wie bei einem Beton nach Eigenschaften gemäss der Norm SN EN In Tabelle ist ein Beispiel für einen Mischungsentwurf von einem Nassspritzbeton der Spritzbetonklasse SC4 gemäss der Norm SIA 198 aufgeführt. Trockenspritzbeton Beim Mischungsentwurf für einen Trockenspritzbeton werden neben den geforderten Festbetoneigenschaften auch die Staubentwicklung und die Rückprallmenge 138 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 139

71 4. Betone mit besonderer Verarbeitung 4.2 Spritzbeton Tab : Beispiel für den Mischungsentwurf eines Nassspritzbetons SC4. berücksichtigt. Der Zementgehalt wird beim Trockenspritzverfahren vorgegeben und in der Regel auf 1000 Liter lose geschüttete Gesteinskörnung bezogen. Die Summe der Ausgangsstoffe meistens ein Trockengemisch aus 1000 Liter erdfeuchter Gesteinskörnung und Zement nimmt ein Volumen ein, dass grösser ist als 1000 Liter, weil sich Zementpartikel um die einzelnen Gesteinskörner legen und damit der Abstand zwischen den Gesteinskörnern vergrössert wird. Für eine Produktionscharge von 1.0 m 3 Trockengemisch muss der Gehalt der Ausgangsstoffe deshalb reduziert werden. In Tabelle ist ein Beispiel für einen Mischungsentwurf von einem Trockenspritzbeton aufgeführt. Beim Spritzen findet ein Materialverlust in Folge Rückprall und eine Volumenreduktion durch die Verdichtung statt. Wird vom Beispiel aus Tabelle ausgegangen und ein Rückprall von 25 M.-% sowie ein Verdichtungsfaktor von 1.35 angenommen, ergeben sich für 1.0 m 3 Trockengemisch ca. 555 Liter applizierter Spritzbeton am Objekt. Der Zementgehalt des applizierten Spritzbeton beträgt ca. 454 kg/m 3 bei einem Zementverlust im Rückprall von 10 M.-%. Der w/z-wert der applizierten Spritzbeton ist ca bei einem angenommenen Gehalt an Zugabewasser von 110 kg/m 3 und einem Wasserverlust im Rückprall von 20 M.-%. Dichte [kg/dm 3 ] Anteil [M.-%] Nassspritzbeton SC 4 Menge [kg/m 3 ] Volumen [l/m 3 ] Zement CEM II/B-M (S-T), (Robusto 4R-S) Selbstverdichtender Beton Einleitung Selbstverdichtender Beton (Kurzform: SVB; engl.: Self Compacting Concrete, Kurzform: SCC) und vibrierter Beton unterscheiden sich durch ihre Frischbetoneigenschaften und durch die Art der Verdichtung. SCC erfordert keine Verdichtungsenergie z. B. durch Rütteln oder Stampfen und weist folgende Eigenschaften auf: Fliessfähige Betone, die ohne Vibrieren in Pfähle oder Schlitzwände eingebracht werden, sowie leicht verdichtbare Betone der Konsistenzklasse F5/F6, die gelegentlich im Hochbau eingesetzt werden (Abb ), zählen nicht zur Klasse der selbstverdichtenden Betone Normative Anforderungen Gesteinskörnung Sand 0/ Kies 4/ Wasser Luft 15 Zusatzmittel Fliessmittel, Erstarrungs beschleuniger nach Bedarf Rohdichte und Volumen des Frischbetons w/z-wert 0.47 ausgewählte Betoneigenschaften Frühfestigkeitsklasse J2 Fliessfähigkeit ohne Entmischung ( honigartige Konsistenz) Entlüftung des Betons während des Fliessens vollständiges Füllen der Schalung, einschliesslich aller Aussparungen, Bewehrungszwischenräume usw. mit homogenem Beton Wegfall der Verdichtungsarbeit SCC bietet eine Alternative zu vibriertem Beton in vielen Bereichen, wie Hochbau, Tiefbau, Tunnelbau, Vorfertigung und Instandsetzung. Im Vergleich zu vibriertem Beton zeigt SCC folgende Vorteile: Ausschreibung Selbstverdichtender Beton muss die Anforderungen der Normen SN EN und SN EN erfüllen. Er wird in der Schweiz mit speziellen Konsistenzklassen Setzfliessmassklasse und Blockierneigungsklasse oder Zielwerten bezeichnet (Tab ). Konsistenzklasse Klasse Grenzwerte (Einzelergebnis) Setzfliessmass klassen SF1 SF mm mm Tab : Konsistenzklassen und Grenzwerte für SCC gemäss der Norm SN EN Tab : Beispiel für den Mischungsentwurf eines Trockenspritzbetons. Schüttdichte [kg/dm 3 ] Anteil [M.-%] Trockenspritzbeton Menge [kg/m 3 ] Volumen [l] Zement CEM II/B-M (S-T), (Robusto 4R-S) * Gesteinskörnung erdfeuchtes Korn gemisch (3 M.-% Feuchtigkeit) Trockengemisch (erdfeucht) Zusatzmittel Fliessmittel, Erstarrungs beschleuniger nach Bedarf höhere Einbauleistung und schnellere Ausführung geringerer Personalbedarf einfaches Betonieren von schlanken Bauteilen und Bauteilen mit dichter Bewehrung Verfüllen von schwer zugänglichen Bereichen gleichmässige Betonqualität im gesamten Bauwerk grössere Freiheit in der Formengebung Reduktion störender Lärmemissionen beim Einbau Arbeitserleichterung und Vermeidung vibrationsbedingter Krankheiten weniger Nachbearbeitungsaufwand Blockierneigungsklassen, L-Kasten- Versuch SF3 PL1 PL mm 0.80 mit 2 Bewehrungsstäben 0.80 mit 3 Bewehrungsstäben Nachweis Die Frischbetoneigenschaften werden durch die SCCspezifischen Prüfverfahren nachgewiesen. Produktionscharge von 1.0 m 3 [kg/m 3 ] [l/m 3 ] Zement Gesteinskörnung Sand 0/ Kies 4/ * Entspricht einem Volumen von 350 Liter minus 100 Liter in den Hohlräumen der Gesteinskörnung. Abb : Stabiler SCC: die Gesteinskörnung wird in der Schwebe gehalten. 140 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 141

72 4. Betone mit besonderer Verarbeitung 4.3 Selbstverdichtender Beton 4. Betone mit besonderer Verarbeitung 4.3 Selbstverdichtender Beton Abb : Bestimmung des Setzfliessmasses gemäss der Norm SN EN Abb : Qualitative Beurteilung des Betonkuchens. Abb : Bestimmung der Blockierneigung gemäss der Norm SN EN Bestimmung des Setzfliessmasses (SF) Für die Bestimmung des Setzfliessmasses wird der Setzmasstrichter nach SN EN verwendet. Der Trichter wird auf eine angefeuchtete, ausreichend grosse Ausbreitplatte ( mm) gestellt und mit SCC gefüllt. Anschliessend wird der Kegelstumpf angehoben und der SCC breitet sich unter seinem Eigengewicht aus, ohne Zufuhr von Verdichtungsenergie. Annehmen Gleichmässige Form: optimales Ergebnis Zurückweisen Bestimmung der Blockierneigung (L-Kasten-Versuch) Der Frischbeton wird in den vertikalen Teil eines L-förmigen Kastens eingefüllt. Der horizontale Teil ist durch einen Schieber abgeschlossen. Hinter dem Schieber befinden sich zwei oder drei Bewehrungsstäbe, die nach dem Öffnen des Schiebers umflossen werden. Setzfliessmass: SF = Gl d 1 + d 2 2 Leichte Glockenform: zu wenig Wasser oder Fliessmittel [mm] Nach dem Ende der Fliessbewegung werden die Höhen im vertikalen Bereich des Kastens (h 1 ) und am Ende des horizontalen Kastens gemessen (h 2 ). Aus dem Verhältnis h 2 /h 1 ergibt sich das Fliessvermögen PL. Zusätzlich kann auch die Fliesszeit des Betons vom Öffnen des Verschlussschiebers bis zum Ende des Erreichens des vertikalen Bereichs gemessen werden. d 1 d 2 Ausgeprägte Glockenform: Bluten am Rand: Entmischungsneigung, Mangel an Mehlkorn oder Wasserüberschuss Weitere Konsistenzklassen können sofern erforderlich als zusätzliche Anforderungen festgelegt werden. Die Konsistenz ist zum Zeitpunkt der Verwendung bzw. bei Transportbeton zum Zeitpunkt der Anlieferung auf der Baustelle zu bestimmen. Für ein Setzfliessmass von weniger als 620 mm besteht erfahrungsgemäss ein erhöhtes Risiko für die Bildung von Blockaden und Kiesnestern. Wenn das Setzfliessmass 750 mm übertrifft, steigt das Risiko der Entmischung stark an. In der Praxis wird für die meisten Anwendungen (Boden- und Deckenplatten, Wände, Stützen) SCC mit einem Setzfliessmass von 660 bis 720 mm eingesetzt, welches der Klasse SF2 entspricht. Zusätzlich zu den Messwerten ist auch die Form des Betonkuchens bedeutsam. Sie sollte bei der Beurteilung des Betons berücksichtigt werden (Abb ). Im Rahmen der Erstprüfung ist nachzuweisen, dass der Beton die geforderten Eigenschaften mit einem ausreichenden Vorhaltemass erfüllt. Dies gilt insbesondere für die Robustheit gegenüber Wasserschwankungen, hier ist der zulässige Bereich des Wassergehaltes festzulegen Betontechnologie Zement Grundsätzlich sind alle Zemente für die Herstellung von selbstverdichtendem Beton geeignet, sofern sie in der Norm SN EN aufgeführt und für die ausgewählte Expositionsklasse zugelassen sind. Die am häufigsten verwendeten Zemente sind Portlandkompositzemente (z. B. Optimo 4, Bisolvo 3R oder spezielle Kundenzemente). Durch den hohen Fliessmittelgehalt von SCC verzögert sich die Festigkeitsentwicklung. Daher werden für das Betonieren bei kalter Witterung, kurze Verweilzeiten in der Schalung und für die Vorfertigung von hochfesten oder stark exponierten Bauteilen die folgenden Zemente empfohlen: Portlandzement (Normo 5R) für die Vorfertigung schlanker Bauteile Portlandsilikastaubzement (Fortico 5R) für stark exponierte Bauteile Der hohe Zementgehalt von SCC kann zu erhöhter Hydratationswärmeentwicklung führen. Für die Herstellung von massigen Bauteilen wird daher zur Verwendung eines Zements der Zementfestigkeitsklasse 32,5 geraten: Portlandkompositzement (Bisolvo 3R) Zugabewasser Da der Wassergehalt die Viskosität und Selbstverdichtung von selbstverdichtendem Beton massgeblich beeinflusst, muss der Zielwert mit möglichst geringer Abweichung eingehalten werden. Es ist sehr wichtig, den Feuchtigkeitsgehalt der Gesteinskörnung, insbesondere des Sandes, regelmässig zu bestimmen und bei der Wasserzugabe zu berücksichtigen. Recyclingwasser kann verwendet werden, jedoch wirkt sich ein hoher Feststoffanteil ungünstig auf die Mischungsstabilität aus. Gesteinskörnung Der Hohlraumgehalt der Gesteinskörnung ist bei SCC besonders wichtig, da er massgebend für das erforderliche Feinststoffvolumen ist. Grundsätzlich kann für die Herstellung von SCC eine runde oder gebrochene Gesteins körnung verwendet werden. Die runde Gesteinskörnung hat den Vorteil, dass sie lose geschüttet einen geringeren Hohlraumgehalt aufweist und entsprechend weniger Leim benötigt. Gebrochene Gesteinskörnungen haben den Vorteil, dass sie aufgrund der grösseren Oberfläche bei gleichem Gewicht leichter in der Schwebe zu h Klappe Rundeisen 700 h2 150 Günstiger Bereich für SCC-Sieblinie 0/16 Siebdurchgang [M.-%] Sieböffnung [mm] Günstiger Bereich für SCC-Sieblinie 0/32 Siebdurchgang [M.-%] Sieböffnung [mm] Abb : Sieblinien für SCC mit D max = 16 mm (links) und D max = 32 mm (rechts). Bewährte Kornzusammensetzungen für SCC befinden sich im Bereich zwischen den roten Linien (logarithmische Darstellung). 142 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 143

73 4. Betone mit besonderer Verarbeitung 4.3 Selbstverdichtender Beton Tab : Empfohlenes Grösstkorn für SCC in Abhängigkeit der Konsistenzklasse. Tab : Empfohlener Mehlkorngehalt für SCC in Abhängigkeit vom Korngemisch. halten sind. In der Regel wird SCC mit einem Grösstkorn von 16 mm hergestellt. Damit wird dem Risiko einer Entmischung entgegengewirkt und ein mögliches Blockieren des SCC beim Umfliessen der Bewehrung verhindert. Praktische Erfahrungen haben gezeigt, dass bei einfacher Geometrie und genügend grossem Abstand der Bewehrungsstäbe für die Klasse SF1 auch ein Grösstkorn von 32 mm verwendet werden kann. Die Kornzusammensetzung ist durch einen erhöhten Gehalt an Sand und Feinstanteilen gekennzeichnet. Für ein Korngemisch 0/16 mm sollte der Siebdurchgang bei 2 mm idealerweise zwischen 38 M.-% und 42 M.-% liegen. Der Anteil < mm sollte im Bereich von 4 bis 6 M.-% liegen. In Abbildung sind Sieblinien für SCC für D max = 16 mm und für D max = 32 mm dargestellt. Konsistenzklasse [-] Empfohlenes Grösstkorn D max [mm] SF1 16 oder 32 SF2 8 oder 16 SF3 8 PL1 16 oder 32 PL2 8 oder 16 Empfehlungen für den Mehlkorngehalt (Zement, Zusatzstoffe, Gesteinskörnung mm) in Abhängigkeit von unterschiedlichen Korngemischen werden in Tabelle gegeben. Korngemisch [mm] Mehlkorngehalt [kg/m 3 ] 0/ / / Zusatzmittel Um die gewünschte Verflüssigung eines SCC zu erreichen, kommen Fliessmittel auf der Basis von Polycarboxylaten und Polycarboxylatethern zum Einsatz. Allgemein gilt es zu beachten, dass eine hohe Fliessmitteldosierung zu Entmischungen führen und den Abbindebeginn des Betons verzögern kann. Zusatzstoffe Die besonderen Anforderungen an die Fliessfähigkeit eines selbstverdichtenden Betons bedingen einen erhöhten Mehlkorngehalt. Werden keine Portlandkompositzemente verwendet, ist die Zugabe von Zusatzstoffen üblich. In der Schweiz wird am häufigsten Flugasche verwendet. Gelegentlich kommen auch Gesteinsmehle zum Einsatz. Herstellung Grundsätzlich sind die üblichen Mischertypen in Transportbetonwerken, Ortsbetonanlagen und Fertigteilanlagen für die Herstellung von selbstverdichtendem Beton geeignet. Bei der Herstellung von SCC gelten die gleichen Empfehlungen für die Reihenfolge der Dosierung der Komponenten wie für vibrierten Beton. Die Homogenität und die optimale Wirkung der Zusatzstoffe und Zusatzmittel in SCC hängen wesentlich von der Mischintensität und -dauer ab. In der Regel wird deshalb von einer mittleren Nassmischzeit von 120 Sekunden ausgegangen. Abb : Trägerschalung (h 3 m). Transport SCC kann aufgrund seiner hohen Fliessfähigkeit nur im Fahrmischer transportiert werden. Die Trommel sollte sich während der gesamten Fahrzeit langsam drehen. Für Transporte in steilem Gelände ist ein Verschlussdeckel zu empfehlen. Vor dem Entladen ist der Beton mit maximaler Drehzahl etwa fünf Minuten lang aufzumischen. Schalung Der Frischbetondruck und die Anforderungen an die Betonoberfläche üben einen wesentlichen Einfluss auf die Wahl des Schalungstyps und damit auf die Schalungskosten aus. Die Anforderungen an Wandschalungen im Bereich üblicher Stockwerkshöhen (h 3 m) unterscheiden sich bei SCC nicht von jenen eines vibrierten Betons. Grundsätzlich können dieselben Holz- oder Metallschalungen verwendet werden. Mit der Einfüllhöhe steigen die Anforderungen an die Steifigkeit der Schalung, um Verformungen und ein eventuelles Absacken des eingebrachten Betons zu vermeiden. Träger- oder Rahmenschalungen (Abb und 4.3.7) erfüllen diese Anforderungen in der Regel am besten. Aussparungen und Einbauten müssen so befestigt werden, dass sie dem Auftrieb im Frischbeton widerstehen. In der Praxis kann der Schalungsdruck des SCC nahezu den hydrostatischen Druck erreichen. Der Schalungsdruck hängt im Wesentlichen von der Einfüllgeschwindigkeit, der Fallhöhe, den Frischbetoneigenschaften (Konsistenz, Temperatur, Thixotropie und Erstarrungsbeginn), der Rauigkeit der Schalhaut und der Wanddicke (Gewölbewirkung) ab. Durch die kontinuierliche Messung des Schalungsdrucks kann die optimale Einfüllgeschwindigkeit ermittelt werden. Die Verwendung von SCC erfordert eine dichte Schalung. Vertikale Abschalungen zwischen Betonieretappen können mit einem genügend steif abgespriessten Streckmetall ausgeführt werden. Die üblichen Massnahmen gegenüber Zementleimverlust sind einzuhalten, z. B. Abdichten des Schalungsfusses mit Montageschaum, Schliessen von Löchern usw. Einbringen Im Vergleich zu vibriertem Beton ist das Einbringen von SCC einfacher und kann üblicherweise, sogar bei beträchtlichen Betonvolumen, mit weniger Personal bewerkstelligt werden. SCC kann mit den meisten üblichen Einbauarten, z. B. per Krankübel, Pumpe oder direkt über die Rinne des Fahrmischers eingebracht werden. Um Entmischungen zu vermeiden, sollte der Beton nicht im freien Fall in die Schalung ge langen. SCC neigt aber beim Fallen weniger zu Entmischungen als vibrierte Betone. Die Begrenzung der Fallhöhe durch das Eintauchen des Betonierschlauches in den Frischbeton vermeidet auch, dass Luft eingeschlossen wird und reduziert damit die Anzahl der Lunker (Abb ). Abb : Einbringen von SCC mit einem an der Auslassöffnung des Kübels befestigten Schlauch. Stabilisatoren erhöhen die Stabilität der Mischung und verhindern das Bluten und das Absinken der groben Gesteinskörnung. Sie dienen vornehmlich dazu, die Auswirkungen der Schwankungen des Wassergehalts der Gesteinskörnung zu mindern. Abb : Rahmenschalung (h = 3 bis 5 m, je nach Typ). Speziell abgestimmte Luftporenbildner können eingesetzt werden, um den Frost-Tausalzwiderstand zu erhöhen. 144 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 145

74 4. Betone mit besonderer Verarbeitung 4.3 Selbstverdichtender Beton Die Oberflächenqualität von SCC wird stark von der Einfüllgeschwindigkeit und der Zeit zur selbstständigen Entlüftung beeinflusst. Es ist zu beachten, dass die Entlüftung des SCC von der Fliessdistanz (3 4 m) und der Fliessdauer abhängig ist. Die Entlüftung überwiegend geschlossener Schalungen muss durch Öffnungen o. ä. sichergestellt werden. Der Krankübel sollte so geöffnet werden, dass sich der SCC langsam und gleichmässig ausbreiten kann. Beim Betonieren von Wänden ist es von Vorteil, mit einem an der Auslassöffnung befestigten Schlauch zu arbeiten. Beim Betonieren mit dem Krankübel sollte man sich auf ein Minimum an Einfüllstellen beschränken. Abhängig von der zu betonierenden Bauteilgrösse, der Bewehrungsanordnung und -dichte sollten die Einfüllstellen so gewählt werden, dass der SCC sich in der Schalung über eine Strecke von nicht mehr als 5 bis 10 m ausbreitet. In jedem Fall muss darauf geachtet werden, dass das horizontale Fliessen so begrenzt wird, dass der Beton homogen bleibt. Das Entmischungsrisiko während des Fliessens ist umso grösser, je länger die Fliessstrecke und je dichter die Bewehrung ist. Glätten horizontaler Flächen Das Fliessen und die schwerkraftbedingte Ausbreitung von SCC reichen u. U. nicht aus, um bei grossen horizontalen Bauteilen (Bodenplatten, Beläge, Decken) eine ebene Oberfläche zu erzielen. Gegen Ende des Betonierens kann es nützlich sein, z. B. mit einem Rechen nachzuhelfen. Eine halbe bis eineinhalb Stunden nach dem Einbringen des SCC wird empfohlen, die Oberfläche mindestens abzutaloschieren (Abb ), um eventuelle Setzungsrisse des Frischbetons zu schliessen. Grundsätzlich erfolgt das Glätten von SCC-Oberflächen aufgrund der verzögernden Wirkung des Fliessmittels später als bei vibrierten Betonen. Neben der Fliessfähigkeit müssen die Feinststoffe eine bestimmte Viskosität aufweisen, damit die grösseren Gesteinskörner in der Schwebe gehalten werden ohne abzusinken. In Abbildung ist die Fliessfähigkeit (Setzfliessmass) in Abhängigkeit von der Viskosität (L-Box-Versuch) graphisch dargestellt. Der optimale Bereich ist rosa gekennzeichnet. Setzfliessmass [mm] SF3 SF2 SF1 Setzfliessmass [mm] Entmischungen zu wenig Fliessmittel zu hoher w/z eq -Wert Entmischungen zu viel Feinststoffüberschuss schlechtes Ausbreiten, Lunker, Kiesnester zu wenig Zementleimüberschuss Laufzeit L-Box ( Viskosität ) [s] Abb : Schematische Darstellung der Fliessfähigkeit in Abhängigkeit von der Viskosität von SCC. Lunker, Kiesnester zu starke Stabilisierung zu tiefer w/z eq -Wert Abb : Unterschiedliche Volumenverhältnisse für vibrierten Beton und SCC. Bei Platten mit einer Dicke von über 50 cm kann es sich als nützlich erweisen, den SCC in zwei Schichten einzubringen, um der unteren Schicht eine kurze Zeit für das Entlüften und das Setzen zu lassen, bevor die obere Deckschicht aufgebracht wird. Diese sollte eine Dicke von mindestens 10 cm aufweisen, um das Glätten zu erleichtern und zu verhindern, dass sich die obere Bewehrungslage abzeichnet. Vibrierter Beton Grösstkorn 32mm Feinststoffvol.: 280l/m 3 Volumen der Gesteinskörnung (V GK ): 0.125mm < V GK 32mm: 720 l/m 3 Selbstverdichtender Beton (SCC) Grösstkorn 16mm Feinststoffvol.: 365l/m 3 Volumen der Gesteinskörnung (V GK ): 0.125mm < V GK 16mm: 635 l/m 3 Abb : Glätten der Oberfläche einer Decke aus SCC durch Abtaloschieren. Nachbehandlung Bei SCC sollen im Allgemeinen dieselben Vorkehrungen wie bei herkömmlichen Betonen getroffen werden (Kapitel 3.6). Da SCC einen gegenüber vibriertem Beton höheren Zementleimgehalt und einen oft tieferen w/z-wert hat, ist der Nachbehandlung besondere Aufmerksamkeit zu schenken. Nach dem Einbringen sind horizontale Flächen (Bodenplatten, Beläge, Decken) umgehend mit Plastikfolien oder durch Aufsprühen eines Nachbehandlungsmittels gegen das Austrocknen zu schützen. Mischungsentwurf Feinststoffvolumen Dem Feinststoffvolumen kommt im Mischungsentwurf eine besondere Bedeutung zu. Es setzt sich aus dem Volumen von Zement, Zusatzstoffen, Wasser, Zusatzmittel und Luft sowie dem Anteil aus der Gesteinskörnung mm zusammen. Im Gegensatz zu vibriertem Beton müssen bei SCC die Feinststoffe nicht nur die Hohlräume zwischen der Gesteinskörnung ausfüllen, sondern auch ein Überschussvolumen bereitstellen, welches die einzelnen Körner auf Abstand bringt (Abb ). Das überschüssige Feinststoffvolumen ermöglicht die besondere Fliessfähigkeit des SCC (Abb ). Im Allgemeinen beträgt das Überschussvolumen an Feinststoffen 90 bis 120 l/m 3 je nach Grösstkorn und Art der Gesteinskörnung (rund oder gebrochen) Feinststoffüberschuss [l/m 3 ] Abb : Einfluss des überschüssigen Feinststoffvolumens auf das Setzfliessmass des Frischbetons Hinweise für das Planen von selbstverdichtendem Beton Betonzusammensetzung Die wesentlichen Unterschiede in der Zusammensetzung von vibriertem und selbstverdichtendem Beton sind in Tabelle anhand von zwei Praxisbeispielen dargestellt. Die Mischungsentwürfe basieren auf runder Gesteinskörnung und müssen im Fall der Verwendung von gebrochener Gesteinskörnung angepasst werden. Die Erhöhung des Feinststoffvolumens führt zu einer relativen Verringerung des Gesteinskörnungsvolumens in einem Kubikmeter Frischbeton. Daraus resultiert eine typische Gesteinskörnungsmenge in SCC von ungefähr 1700 kg/m 3. Eine Gesteinskörnung 0/16 mm aus dem Schweizer Mittelland weist im Mittel einen Hohlraumgehalt von 29 Vol.-% auf, wenn das Verhältnis Sand zu Kies ungefähr 1:1 beträgt. Unter Annahme eines erforderlichen Fein ststoffüberschusses von 90 l/m 3 resultiert daraus ein Gesamtvolumen an Feinststoffen von 354 l/m 3 und ein Gesteinskörnungsanteil von ca kg/m 3 (Rohdichte der Gesteinskörnung 2680 kg/m 3 ) (siehe Abb ). Bei der Verwendung einer Gesteinskörnung mit einem hohen Anteil an gebrochenem Korn, wie es im alpinen Raum häufig vorkommt, liegt der Hohlraumgehalt der Gesteinskörnung 0/16 mm im Mittel bei ungefähr 32 Vol.-%. Unter Annahme eines er forderlichen Feinststoffüberschusses von 110 l/m 3 resultiert daraus ein Gesamt volumen des Feinststoffes von 395 l/m 3 und ein Gesteinskörnungsanteil von ca kg/m 3 (Rohdichte der Gesteinskörnung 2680 kg/m 3 ). 90 l Feinststoffvol. = = 354l 910l davon 29% Hohlräume 29% 910 = 264l 71% = 1732kg Feinststoffüberschuss Feinststoffe Gesteinskörnung (lose) > 0.125mm 110l 890l davon 32% Hohlräume 32% 890 = 285l 68% = 1622kg Feinststoffvol. = = 395l Abb : Zusammenstellung der Volumina bei einem praxisüblichen SCC mit runder Gesteinskörnung (links) und mit gebrochener Gesteinskörnung (rechts). 146 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 147

75 4. Betone mit besonderer Verarbeitung 4.3 Selbstverdichtender Beton Tab : Beispiele für den Mischungsentwurf eines selbstverdichtenden Betons mit vorwiegend runder und gebrochener Gesteinskörnung für einen Beton der Betonsorte C. Zement CEM II/B-M (T-LL) (Optimo 4) Dichte [kg/dm 3 ] SCC mit vorwiegend runder Gesteinskörnung Anteil [M.-%] Menge [kg/m 3 ] Volumen [l/m 3 ] SCC mit teilweise gebrochener Gesteinskörnung > 4 mm Anteil [M.-%] Menge [kg/m 3 ] Volumen [l/m 3 ] Zusatzstoff Flugasche Sand 0/ Schwinden und Kriechen Bei einer gegebenen Wassermenge wird das Trockenschwinden im Wesentlichen von der Wassermenge und nur wenig vom Zementgehalt oder dem w/z-wert beeinflusst (siehe Abb ). Deshalb zeigt SCC ein ähnliches Verhalten beim Trockenschwinden wie ein im Hochbau üblicher, vibrierter Beton der Druckfestigkeitsklasse C20/25, da er eine ähnliche Wassermenge enthält. Um das Ausmass des Schwindens zu begrenzen, wird empfohlen, die Wassermenge so weit wie möglich zu reduzieren und 200 l/m 3 nicht zu überschreiten. Dauerhaftigkeit Dank des geringen w/z-wertes, der hohen Oberflächenqualität, des dichten Gefüges und der gleichmässigen Qualität weist SCC bei ausreichender Nachbehandlung im Allgemeinen eine sehr hohe Dauerhaftigkeit auf. Gesteinskörnung Kies 4/ Kies 8/ Splitt 4/ Splitt 8/ Wasser Luft Zusatzmittel Fliessmittel, Stabilisierer nach Bedarf (z. B. FM M.-% bez. Z., ST M.-% bez. Z.) Rohdichte und Volumen des Frischbetons w/z-wert bzw. w/z eq -Wert Festbetoneigenschaften Druckfestigkeit Bei SCC liegt der w/z-wert aufgrund des erhöhten Zementleimgehaltes oft unter demjenigen von vergleichbaren, vibrierten Betonen, im Bereich von 0.39 bis Daraus ergibt sich oft eine um ein bis zwei Klassen höher liegende Druckfestigkeit als bei einem gleichwertigen, vibrierten Beton. E-Modul [N/mm 2 ] Alluvialkies gebrochener Kalkstein glimmerhaltige Gesteinskörnung Aufgrund des höheren Zementleimvolumens weist SCC ein um bis zu 25 % grösseres Schwindmass und eine höhere Kriechzahl auf als ein vibrierter Beton mit vergleichbarer Druckfestigkeit. Diese Eigenschaften sind im Fall von behindertem Schwinden vorteilhaft. Das Risiko der Rissbildung hängt jedoch nicht nur vom Schwinden, sondern auch von E-Modul, Kriechzahl, Zugfestigkeit und Nachbehandlung des Betons sowie vom Einspanngrad des Bauteils und der Umgebungsfeuchte ab (siehe Kapitel 8.4). Durchstanzen Der Durchstanzwiderstand nimmt mit dem Grösstkorn der Gesteinskörnung bei gleichbleibender Druckfestig - keit ab. Da SCC aufgrund des geringeren w/z-wertes eine höhere Druckfestigkeit als eine vergleichbare vibrierte Betonsorte aufweist, kann zumindest teilweise der Effekt des reduzierten Grösstkorns ausgeglichen werden. Es existieren Modelle und Diagramme mit zahlreichen Parametern (Stützenradius, Durchstanzbewehrung, Betondruckfestigkeit, Spannweite, statische Höhe und Bewehrungsgrad der Decke) zur Abschätzung dieser Effekte. Abb : Vorfabrikation von Standardelementen. SCC eignet sich besonders für die Vorfabrikation. Elastizitätsmodul Der E-Modul eines Betons hängt von der Art und Menge der Gesteinskörnung und den Eigenschaften des Zementsteins ab (siehe Kapitel 3.8.3). Da der Zementleimgehalt beim SCC grösser ist und dieser einen geringeren E-Modul als die Gesteinskörnung aufweist, liegt der E-Modul eines SCC um rund 10 % tiefer als jener eines vibrierten Betons gleicher Druckfestigkeit, der mit derselben Gesteinskörnung hergestellt wurde (Abb ) Druckfestigkeit [N/mm 2 ] SCC hergestellt mit Alluvialkies Bereiche zwischen den Kurven: Vibrierter Beton aus natürlicher Gesteinskörnung gemäss SIA 262 Abb : E-Modul in Abhängigkeit von der Würfeldruckfestigkeit, nach 28 Tagen, für SCC. Abb : SCC erleichtert das Betonieren einer Tunnelzwischendecke. 148 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 149

76 4. Betone mit besonderer Verarbeitung 4.4 Monobeton 4.4 Monobeton Beton ohne VZ Transportzeit Verarbeitbarkeitszeit Liegezeit Erstarrungszeit Abb : Liegezeit bei Beton mit und ohne Verzögerer (VZ). Verarbeitung Erstarrungsbeginn Erstarrung Erstarrungsende Oberfläche mattfeucht Herstellung Transport Abb : Maschinelles Glätten einer Bodenplatte mit einem Flügelglätter. Doppelglätter (oben), Handglätter (unten) Einleitung Monolithisch hergestellter Beton mit den Oberflächeneigenschaften eines Hartbetonbelags werden als Monobeton bezeichnet. Monobeton wird als Überbeton oder als Konstruktionsbeton (Bodenplatte, Decke) erstellt. In diesem Kapitel werden ausschliesslich horizontale Betonplatten im Innen- und Aussenbereich behandelt. Anwendungsgebiete sind sowohl Verkehrsflächen als auch Betonplatten im Hochbau, vornehmlich im Industrieund Gewerbebau. Die Betonoberfläche wird nach dem Einbau, Verdichten und Abziehen zusätzlich manuell (händisch) oder maschinell bearbeitet. Details zur manuellen Bearbeitung von Verkehrsflächen, z. B. Betonstrassen, Kreisel und Bushaltstellen, sind in Kapitel 7.5 aufgeführt. Das maschinelle Glätten erfolgt durch spezielle Flügelglätter bereits nach wenigen Stunden, wenn die Betonoberfläche genügend trittfest, aber noch mattfeucht ist (Abb ). Die geglättete Betonrandzone mit einer Dicke von ca. 3 mm wird dadurch einerseits eben und glatt anderseits sehr hart und widerstandsfähig. Sie kann den unterschiedlichsten Beanspruchungen ohne zusätzliche Schutzbeschichtung widerstehen. Damit entfällt eine Untergrundvorbereitung, das Aufbringen einer Haftbrücke und der Einbau einer zusätzlichen Beschichtung. Infolgedessen wird die Bauzeit verkürzt Normative Anforderungen Normative Anforderungen an Monobeton sind in der Norm SIA 252 festgelegt. Bezüglich der Betoneigenschaften wird auf die Norm SIA 262 verwiesen. Die grundlegenden Anforderungen von Beton nach Eigenschaften gemäss der Norm SN EN sind für Monobeton und Kranbeton gleich. Als zusätzliche Anforderung ist Monobeton zu bezeichnen und ggf. ein hoher Abriebwiderstand bzw. Verschleisswiderstand festzulegen. In der Norm SIA 252 und in der Norm SN EN werden anhand von drei Beanspruchungsniveaus Verschleisswiderstandsklassen definiert. Monobeton muss mindestens der Druckfestigkeitsklasse C30/37 entsprechen. Für die Rissbreitenbeschränkung bei Monobetonplatten oder -decken gelten hohe Anforderungen nach der Norm SIA 262 für quasi-ständige und häufige Lastfälle. Die Anforderungen an die Ebenheit der gebrauchsfertig hergestellte Betonoberfläche sind höher als beim Betonrohbau und sind in der Nutzungsvereinbarung festzulegen. In der Norm SIA 252 sind folgende Toleranzen aufgeführt (Tab ). Messdistanz in m bis 1.0 bis 3.0 bis 4.0 Zulässige Abweichung in mm ±2 ±3 ±4 Tab : Zulässige Abweichungen für die Ebenheit der Oberfläche gemäss der Norm SIA 252. Material- und ausführungsbedingte Farbdifferenzen, speziell bei Nachbesserungs- und Ergänzungsarbeiten sowie Glättespuren und Wolkenbildungen sind nicht vermeidbar. Für spezielle Anforderungen an die Ästhetik gelten die Bedingungen in der Norm SIA 252. Beton mit VZ Eine Oberflächenbearbeitung durch maschinelles Glätten ist für Verkehrsflächen wie Betonstrassen, Kreisel, Bushaltestellen, etc. gemäss der Norm SN verboten Betontechnologie Transportzeit Verarbeitbarkeitszeit Allgemeines Das maschinelle Glätten soll in der sogenannten Liegezeit erfolgen. Die Liegezeit ist in Abbildung für Beton mit und ohne Verzögerer definiert. Das Glätten muss kurz vor dem eigentlichen Erstarrungsbeginn starten und vor Erreichen des Erstarrungsendes abgeschlossen sein. Der richtige Zeitpunkt des Glättens ist durch die sogenannte Trittfestigkeit, d. h. durch eine Begehbarkeit, und den Feuchtigkeitszustand an der Oberfläche gekennzeichnet. Die Trittfestigkeit kann mit Hilfe eines Schuhabdrucks charakterisiert werden. Sie sollte optisch sichtbar und bei wenigen Millimetern Eindrucktiefe liegen. Die Betonoberfläche sollte mattfeucht sein (Abb ). Ein zu früher Zeitpunkt führt zu einem Einsinken des Flügelglätters und damit zu einem Verschlechtern der Ebenheit, während bei einem zu späten Zeitpunkt der Verbund der geglätteten Betonrandzone mit dem Kernbeton gestört wird. Der Feuchtigkeitszustand an der Oberfläche wird einerseits durch die Menge an abgesondertem Wasser, dem sogenannten Blutwasser, und andererseits von der Verdunstung an der Betonoberfläche beeinflusst. Die Menge an Blutwasser wird massgebend von der Betonzusammensetzung und der Betontemperatur bestimmt. Sie wird grösser mit zunehmendem Zugabewasser, mit geringerem Mehlkorngehalt, mit höherem Fliessmittelgehalt, mit langsamer Hydratation, mit geringer Temperatur und bei verzögertem Beton. Die Verdunstung an der Betonoberfläche, d. h. die Menge an Verdunstungswasser, wird durch die Austrocknungsgeschwindigkeit Verzögerungszeit bestimmt. Sie ist von der Lufttemperatur, relativen Luftfeuchtigkeit, Windgeschwindigkeit und Betontemperatur abhängig (Abb ). Ist die Verdunstungswassermenge kleiner als die Blutwassermenge, verbleibt noch Wasser auf der Betonoberfläche. Wird dieses eingearbeitet, erhöht sich der w/z- Wert in der geglätteten Betonrandzone. Die Folge davon sind eine geringere Festigkeit und ein erhöhtes Schwinden, wodurch netzartige Oberflächenrisse (Krakeelrisse) entstehen können. Ist die Verdunstungswassermenge grösser als die Blutwassermenge, ist die Betonoberfläche vor der Begehbarkeit bereits zu trocken, um ein maschinelles Glätten ohne Schädigungen durchführen zu können. Zement Im Monobeton soll beim Glätten noch keine nennenswerte Hydratation und Gefügeausbildung stattgefunden haben. Das Glätten muss also kurz vor dem Erstarrungsbeginn anfangen und vor dem Erreichen des Erstarrungsendes abgeschlossen sein. Dieses Zeitraum wird massgebend vom Ansteifverhalten des Zementes bzw. des Betons beeinflusst. Bei Zementen mit langsamer Festigkeitsentwicklung findet Erstarrungsbeginn und -ende zu wesentlich späteren Zeitpunkten als bei Zementen mit mittlerer bis schneller Festigkeitsentwicklung statt. Als Folge kann das Glätten erst zu einem späteren Frischbeton Ansteifen sichtbarer Wasserfilm Festbeton Eindrucktiefe Schuh [mm] Erstarrungszeit Liegezeit Früheres Glätten: Schaden an der Betonoberfläche sichtbar nicht sichtbar Späteres Glätten: Erreichen der erforderlichen Oberflächengüte nicht möglich Zeit [h] Abb : Zeitfenster für das Glätten eines Monobetons mit mittlerer Festigkeitsentwicklung. 150 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 151

77 4. Betone mit besonderer Verarbeitung 4.4 Monobeton Zeitpunkt vorgenommen werden. Es wird empfohlen, die Festigkeitsentwicklung der Zemente bzw. Betone an den gewünschten Glättfortschritt anzupassen (Tab ). Die Blutungsneigung von Monobetonen mit Zementen mit geringerer Mahlfeinheit bzw. Zementfestigkeitsklasse nimmt zu. Bewährt haben sich Zementgehalte zwischen 320 und 340 kg/m 3 bei einem Grösstkorn der Gesteinskörnung von 32 mm. Zusatzstoffe In Monobetonen werden Gesteinsmehle und Flugasche eingesetzt. Flugasche kann zur Verbesserung der Verarbeitbarkeit eingesetzt werden. Es ist zu beachten, dass die Verwendung von Flugasche zu einer verzögerten Hy dratation führt und damit der Beginn des Glättens auf einem späteren Zeitpunkt verschoben werden muss. Mehlkorn Der Mehlkorngehalt sollte je nach Art der Gesteinskörnung für ein Grösstkorn der Gesteinskörnung von 32 mm zwischen 370 und 430 kg/m 3 gewählt werden (siehe Kapitel 1.3.4). Zusatzmittel Monobetone weisen in der Regel einen w/z-wert 0.50 auf, so dass für die Betonherstellung ein Fliessmittel erforderlich ist. Bei Verwendung von Fliessmitteln auf PCE-Basis ist zu beachten, dass diese speziell für den Einsatz im Monobeton geeignet sein müssen. Ansonsten zeigt sich über einen Zeitraum von zwei Stunden kein signifikantes Ansteifen und die Trittfestigkeit wird damit auf einen deutlich späteren Zeitpunkt verschoben. Die Blutungsneigung von Monobetonen mit Fliessmitteln auf PCE-Basis ist allgemein sehr gering. Einige Fliessmittel können zu einer Hautbildung auf der frischen Betonoberfläche führen. Die Oberfläche erscheint fest, während der Kernbeton noch weich ist. Der Einsatz von Verzögerern kann bei grossen Etappen sinnvoll sein. Konsistenz Das Ansteifen von Beton ist auch abhängig von der gewählten Konsistenzklasse. Je steifer die Konsistenz, desto früher ist der Zeitpunkt für das Glätten. Monobetone werden überwiegend in weicher Konsistenz mit der Konsistenzklasse C3/F3 auf der Baustelle verarbeitet. Das Glätten erfolgt für diese Monobetone bei einer Temperatur von 20 C ca. 3 Stunden nach Einbau, Verdichten und Abziehen. Entsprechend erfolgt das Glätten von Betonen mit sehr weicher Konsistenz zu einem späteren Zeitpunkt. Abb : Zwischennachbehandlung mit Sprühnebel. Zwischennachbehandlung Im Zeitraum zwischen dem Abziehen der Betonoberfläche nach dem Verdichten und dem Glätten darf die Betonoberfläche nicht austrocknen. Besteht die Gefahr des Austrocknens, wird eine Zwischennachbehandlung notwendig. Geeignete Massnahmen zur Zwischennachbehandlung sind entweder ein Sprühnebel, z. B. mit einem Hochdruckreiniger erzeugt, oder ein Nachbehandlungsmittel auf Basis einer Kunststoff-Dispersion (Abb ). Übliche Nachbehandlungsmittel auf Basis von Paraffin sind nicht geeignet. Die Zwischennachbehandlung wird normativ in der Norm SN EN beschrieben. Das Weglassen der Zwischennachbehandlung kann zur Folge haben, dass die schnell austrocknende Oberfläche über dem noch weichen Betonkern ansteift. Die verfestigte, oberflächige Feinmörtelschicht wird in der Praxis als Elefantenhaut bezeichnet. Diese Elefantenhaut täuscht eine Tragfähigkeit des Betons vor, die in Wirklichkeit noch nicht vorhanden ist. Beim Glätten entsteht dann ein sogenannter Pudding- oder Wabbeleffekt durch das Aufschwimmen der steiferen Betonrandschicht auf dem noch weichen Kernbeton. Die Zwischennachbehandlung ersetzt aber nicht die eigentliche Nachbehandlung, welche nach den Vorgaben der Norm SIA 262 durchgeführt werden muss. Für Monobeton wird eine Nachbehandlungsklasse NBK 4 empfohlen (siehe Kapitel 3.6) Hinweise für das Planen von Monobeton Witterung Monobeton sollte nicht bei Lufttemperaturen unter 10 C und über 25 C eingebaut werden. Bei Temperaturen über 25 C sind zusätzliche Massnahmen erforderlich. Die Lufttemperatur beeinflusst sowohl die Trittfestigkeit als auch die Blut- und Verdunstungswassermenge. Bei einer Lufttemperatur von 10 C im Vergleich zu 20 C wird die Trittfestigkeit zu einem späteren Zeitpunkt erreicht, die Blutwassermenge wird nahezu verdoppelt und die Verdunstungswassermenge fast halbiert. Bei einer Lufttemperatur von 30 C im Vergleich zu 20 C wird die Tritt festigkeit zu einem früheren Zeitpunkt erreicht, die Blutwassermenge wird nahezu halbiert und die Verdunstungswassermenge fast verdoppelt. Eine ungleichmässige Beschattung oder Besonnung der Betonoberfläche kann zu unterschiedlichem Verhalten des Betons beim Glätten führen. Einbauleistung Unrealistisch geplante Einbauleistungen führen zu Wartezeiten der Betonfahrzeuge und können die Betonqualität negativ beeinflussen. Durchschnittliche Einbauleistungen bei Bodenplatten betragen: Plattendicke 20 cm: ca. 35 m 3 Beton pro Stunde Plattendicke 25 cm: ca. 40 m 3 Beton pro Stunde Plattendicke 30 cm: ca. 50 m 3 Beton pro Stunde. Als Glättleistungen können die folgenden Richtwerte angenommen werden (Abb ): Handglätten 80 m 2 /h Doppelglätten 150 m 2 /h Höhere Einbauleistungen erfordern zusätzliche Massnahmen, wie z. B. eine zweite Arbeitsequipe. Luftporenbeton Die Oberflächenbearbeitung beim Monobeton beeinflusst die Menge und Verteilung der künstlich eingeführten Luftporen wesentlich. Luftporenbetone sollten, wenn überhaupt, nur kurz geflügelt werden (siehe Kapitel 6.2). Fugen Monobetone werden häufig fugenlos geplant. Sollten Fugen aus konstruktiven Gründen notwendig werden, sind die Hinweise in den Kapiteln 7.5 und 8.4 zu beachten. Hartstoff Zum Erhöhen des Abrieb- bzw. Verschleisswiderstandes können Hartstoffe, wie z. B: Korund, Siliciumkarbid oder Hartstoff-Zementgemische mit einer Dosierung von 2 bis 4 kg/m 2 aufgebracht und in die Oberfläche eingearbeitet werden. Das Einstreuen der Hartstoffe sollte so früh wie möglich erfolgen, entweder direkt nach dem Abziehen der Betonoberfläche mit einer maschinengeführten Einstreuvorrichtung oder sobald der Beton begehbar ist mit einem handgeführten Einstreuwagen (Abb ). Bei zu spätem Einstreuen können Hohlstellen und Abplatzungen entstehen. Das Einarbeiten der Hartstoffe erfolgt in der Regel mit einem Tellerglätter, während das Fertigstellen der Oberfläche mit einem Flügelglätter vorgenommen wird. Es wird empfohlen, die Hartstoffeinstreuung nur in zugluftfreier Umgebung und bei einem ausreichenden Wassergehalt des Betons von ca. 160 l/m 3 durchzuführen, um den Hartstoff ohne Verbundschwächung sicher in die Oberfläche einarbeiten zu können. Mechanische Bearbeitung Monobeton kann für ästhetische Anforderungen auch mit geschliffener Betonoberfläche hergestellt werden. Für eine gleichmässige Oberfläche ist das maschinelle Glätten eine Voraussetzung. Je nach Betonqualität und Schichtdicke kann der Beton 20 bis 28 Tage nach dem Einbau geschliffen werden. Die Betonoberfläche wird üblicherweise in mehreren Schleifgängen soweit abgetragen, bis das betontypische Feingefüge und ggf. auch einige grössere Gesteinskörner sichtbar werden (Abb ). Werden die Gesteinskörner noch weiter bis zu ihrem grössten Querschnitt aufgeschliffen, kann eine Terazzoähnliche Oberfläche erzielt werden. Je nach Anzahl der aufeinander folgenden Schleifvorgänge mit immer feiner werdenden Schleifstufen kann die fertig bearbeitete Oberfläche von seidenmatt bis hochglänzend sein. Betonböden mit ästhetischen Anforderungen sollten mit einen Oberflächenschutz versehen werden, um Aussehen und Ausstrahlung möglichst lang zu bewahren. Geschalte Betonflächen mit ästhetischen Anforderungen, sogenannter Sichtbeton, werden im Kapitel 7.1 beschrieben. Abb : Einstreuen von Hartstoff mit dem Streuwagen. Abb : Monobeton mit geschliffener Beton oberfläche. 152 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 153

78 Kapitel 5 Betone mit besonderen Ausgangsstoffen 5.1 Recyclingbeton Einleitung Normative Anforderungen Betontechnologie Hinweise für das Planen von Recyclingbeton Leichtbeton Einleitung Normative Anforderungen Betontechnologie Hinweise für das Planen von Leichtbeton Faserbeton Einleitung Normative Anforderungen Betontechnologie Hinweise für das Planen von Faserbeton 174

79 5. Betone mit besonderen Ausgangsstoffen 5. Betone mit besonderen Ausgangsstoffen 5.1 Recyclingbeton 5.1 Recyclingbeton Bezeichnung Recyclingbeton Anteile rezyklierter Gesteinskörnung X0 XC1 (trocken) XC1 (nass), XC2, XC3 Expositionsklassen XC4 XD, XF, XA RC-C R c 25 M.-% R b < 5 M.-% zulässig Voruntersu ch ungen zwingend RC-M 5 M.-% R b 25 M.-% und R c + R b 25 M.-% zulässig Voruntersuchungen zwingend R b > 25 M.-% zulässig Voruntersuchungen zwingend nicht zulässig Einleitung Normative Anforderungen R c : Körner aus Beton, Betonprodukten, hydraulisch gebundene Gesteinskörnungen, Mörtel und Mauersteine aus Beton R b : Körner aus Mauerziegel (Mauersteine, Ziegel), Kalksandsteine, nicht schwimmender Porenbeton Abb : Gesteinskörnungen für Beton (links: natürliche gerundete Gesteinskörnung, Mitte: Betongranulat, rechts: Mischgranulat). Im Rahmen einer nachhaltigen Bauweise gewinnt die Verwendung von rezyklierter Gesteinskörnung zur Herstellung von sogenanntem Recyclingbeton zunehmend an Bedeutung. Der Verbrauch von natürlichen Gesteinskörnungen kann damit vermindert und die Ablagerung von mineralischem Rückbaumaterial in Deponien vermieden werden. Grundsätzlich wird zwischen zwei Arten von rezyklierter Gesteinskörnung unterschieden: Betongranulat (C) und Mischgranulat (M). Das Betongranulat wird durch die Aufbereitung von Betonabbruch gewonnen, welcher beim Rückbau von bewehrten oder unbewehrten Betonbauten anfällt (Abb , Mitte). Das Mischgranulat entsteht durch die Aufbereitung von Mischabbruch, welcher aus dem Rückbau von Beton bauteilen, Backstein-, Kalksandstein- und Natursteinmauerwerk gewonnen wird (Abb , rechts). Die beiden rezyklierten Gesteins körnungsarten unterscheiden sich in ihren Eigenschaften von den natürlichen Gesteinskörnungen und weisen grössere Schwankungen in der stofflichen Zusammensetzung auf. Je nach verwendeter rezyklierter Gesteinskörnungsart wird unterschieden zwischen einem Recyclingbeton, hergestellt mit Betongranulat (RC-C), und einem Recyclingbeton, hergestellt mit Mischgranulat (RC-M). Recyclingbeton kann als nicht normierter Mager-, Hüllund Verfüllbeton und als Konstruktionsbeton nach den Normen SN EN und SIA 262 eingesetzt werden. Gemäss des nationalen Anhangs SN EN 206-1, NE gilt für Recyclingbeton das Merkblatt SIA Nach diesem Merkblatt ist ein Recyclingbeton ein Beton, dessen Ge steins körnung > 4 mm grundsätzlich zu mindestens 25 M.-% aus rezyklierter Gesteinskörnung besteht. In Tabelle sind die petrographischen Anforderungen an die Zusammensetzung der rezyklierten Gesteinskörnungen Betongranulat und Mischgranulat für Konstruktionsbeton aufgeführt. Dabei ist die Deklaration der Zusammensetzung ab einer Korngrösse > 4 mm vorzunehmen, im Gegensatz zur Norm SN EN (Prüfverfahren für geometrische Eigenschaften von Gesteinskörnungen Teil 11: Einteilung der Bestandteile in grobe rezyklierte Gesteinskörnung), die eine Korngrösse > 8 mm vorsieht. Bei Recyclingbeton aus Betongranulat RC-C besteht die Gesteinskörnung > 4 mm im Wesentlichen aus: mindestens 25 M.-% rezyklierte Körner R c, bestehend aus Beton, Betonprodukten, hydraulisch gebundener Gesteinskörnung, Mörtel sowie Mauersteinen aus Beton, und höchstens 5 M.-% rezyklierte Körner R b, bestehend aus Mauer- und Dachziegeln aus gebranntem Ton, Kalksandsteinen und nicht schwimmenden Porenbetonsteinen. Tab : Einsatz von Recyclingbeton für die Expositionsklassen gemäss dem Merkblatt SIA Bei Recyclingbeton aus Mischgranulat RC-M enthält die Gesteinskörnung > 4 mm: mindestens 5 M.-% R b und mindestens 25 M.-% (R b + R c ) Im Merkblatt SIA 2030 wird eine Einschränkung der Verwendung von Recyclingbeton nach Eigenschaften aufgrund von dauerhaftigkeitsrelevanten Aspekten vorgenommen. Für Recyclingbeton nach Eigenschaften gelten die in Tabelle aufgeführten Anforderungen an die Expositionsklassen. Recyclingbeton RC-C kann im Hochbau als Konstruktionsbeton eingesetzt werden (Abb 5.1.2). Recyclingbeton RC-M sollte ausschliesslich für Betonbauteile im Innenbereich oder für geschützte Betonbauteile verwendet werden. Der Einsatz von Recyclingbeton RC-M mit einem Gehalt von mehr als 25 M.-% R b ist ohne entsprechende Vorunter suchungen nur für die Expositionsklassen XC0 und XC1 (trocken) zulässig. Für die Expositionsklassen XD, XF und XA 1 3, sowie generell für Spannbeton und ermüdungsgefährdete Bauteile darf Recyclingbeton RC-M nicht und Recyclingbeton RC-C nur nach den entsprechenden Voruntersuchungen verwendet werden. Für Recyclingbeton gemäss dem Merkblatt SIA 2030 sollten auch die feinen rezyklierten Gesteinskörnungen (Korngruppe 0/4) verwendet werden. Bei speziellen Anforderungen an die Dauerhaftigkeit ist jedoch von deren Verwendung abzusehen. RC-C: RC mit Betongranulat RC-M: RC mit Mischgranulat RC mit Beton- oder Mischgranulat möglich RC-Magerbeton Abb : Einsatzgebiete von Recyclingbeton. 156 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 157

80 5. Betone mit besonderen Ausgangsstoffen 5.1 Recyclingbeton Betontechnologie Zement Für die Herstellung von Recyclingbeton eignen sich alle Zemente, die in der Norm SN EN zugelassen sind. Zur Reduktion der CO 2 -Emissionen sollten Zementarten mit reduziertem Portlandzementklinker-Anteil verwendet werden (z. B. CEM II/B-Zemente). Im Vergleich zu Beton mit runder, natürlicher Gesteinskörnung ist mit einem um ca kg/m 3 höheren Zementbedarf zu rechnen. Bei Magerbetonanwendungen ist der Zementgehalt nicht erhöht, jedoch ist mit einem grösseren w/z-wert zu rechnen oder ein Verflüssiger/Fliessmittel einzusetzen. Gesteinskörnung Allgemeines Die Eigenschaften von rezyklierten Gesteinskörnern werden durch die Herkunft der Rückbaumaterialien und den Aufbereitungsprozess massgebend beeinflusst. Sie unterscheiden sich teilweise stark von denjenigen einer natürlichen Gesteinskörnung. Kornform Aufgrund des Aufbereitungsprozesses (Brechen der Rückbaumaterialien) weist das rezyklierte Gesteinskorn eine gebrochene, meist nicht kubische Kornform auf. Rohdichte Die Rohdichte der rezyklierten Gesteinskörnung ist geringer und schwankt stärker aufgrund der Inhomogenität des Materials als diejenige der natürlichen Gesteinskörnung (Tab ). Gesteinskörnung Natürliche Gesteinskörnung (Kies-Sand) Ofentrockene Rohdichte [kg/m 3 ] Betongranulat Abb : Natürliches Gesteinskorn: Ansicht (links), mikroskopische Aufnahme im UV-Licht (rechts). Dichte Gesteinskörner erscheinen im UV-Licht dunkel, hingegen der poröse Zementstein hell. Abb : Rezykliertes Gesteinskorn: Ansicht (links), mikroskopische Aufnahme im UV-Licht (rechts). Die hohe Porosität des Zementsteines innerhalb des rezyklierten Kornes wird im UV-Licht durch die sehr helle Farbe deutlich sichtbar. Sie ist höher als diejenige des umgebenden Zementsteines. Die Wasseraufnahme ist umso grösser, je kleiner die Rohdichte des rezyklierten Gesteinskorns ist (Abb ). Um einer Verschlechterung der Verarbeitbarkeit des Frisch betons vorzubeugen, wird empfohlen, bei der Betonherstellung die Wasserzugabe zu erhöhen (siehe Kapitel 1.2) oder die rezyklierte Gesteinskörnung vorzunässen. Im Allgemeinen entspricht die Wasseraufnahme der rezyklierten Gesteinskörnung nach einer 10-minütigen Wasserlagerung (W 10 ) etwa 90 % einer 24-stündigen Wasserlagerung (W 24 ), so dass für die Ermittlung des Wasseranspruchs der Gesteinskörnung die W 10 -Werte zugrunde gelegt werden. Kornfestigkeit Die Kornfestigkeiten der rezyklierten Gesteinskörnung sind im allgemeinen geringer als diejenigen von natürlichen Gesteinskörnungen und schwanken in Abhängigkeit von der Materialart (Abb ). Kornfestigkeit [%] natürliche Gesteinskörnung (Kies-Sand) Betongranulat Mischgranulat Abb : Richtwerte der mittleren Kornfestigkeit von Betongranulat, Mischgranulat und natürlicher Gesteinskörnung. Stoffliche Zusammensetzung Die stoffliche Zusammensetzung der rezyklierten Gesteinskörnung unterliegt grossen Schwankungen (Abb , links für Betongranulat und rechts für Mischgranulat). Alkali-Aggregat-Reaktion Aufgrund der oftmals unbekannten und ständig ändernden Herkunft der Rückbaumaterialien ist es nicht möglich, einen repräsentativen Nachweis bezüglich AAR- Beständigkeit eines Recyclingbetons mit einem vernünftigen Prüfaufwand zu erbringen. Aus diesem Grund sind rezyklierte Gesteinskörnungen nicht für die Herstellung von AAR-beständigen Betonen zu empfehlen (siehe Kapitel 6.4). Chloridgehalt Der wasser- und säurelösliche Chloridgehalt muss bei rezyklierten Gesteinskörnungen kontrolliert werden, um die Verwendung von chloridkontaminiertem Rückbaumaterial bei der Herstellung von Recyclingbeton zu vermeiden. Für Recyclingbeton nach Eigenschaften gelten die selben Chloridgehaltsklassen (Cl X ) wie bei Beton aus natürlicher Gesteinskörnung (Tab ). Schwefel- und Sulfatgehalt Sind Schwefelverbindungen in grösseren Mengen im Beton enthalten, können diese zu schädigenden Treiberscheinungen führen, die bis zur Zerstörung des Betonbauteils gehen können (siehe Kapitel 8.8). Schwefelverbindungen können vor allem durch den Rückbau von Gipsputzen, Anhydritestrichen oder nicht separierten Gipskartonplatten in der rezyklierten Gesteinskörnung auf treten. Um das Risiko dieser Betonschädigung zu minimieren, sind die Mindestanforderungen an die stoffliche Zusammensetzung und an den Schwefel und Sulfatgehalt gemäss SN EN sicher zu stellen (siehe Kapitel 1.3). Der Anteil an schädlichen Körnern (X), zu denen Gips und Anhydrit zählen, darf in der rezyklierten Gesteins körnung nicht grösser als 0.3 M.-% sein. Mischgranulat Tab : Ofentrockene Rohdichte von rezyklierter und natürlicher Gesteinskörnung. Wasseraufnahme Rezyklierte Gesteinskörner weisen eine höhere Wasseraufnahme auf infolge ihrer höheren Porosität als natürliche Gesteinskörner (Abb ). Wasseraufnahme W 10 [M.-%] Anteil [M.-%] Anteil [M.-%] ofentrockene Rohdichte ρ [kg/m 3 ] Mischgranulat Betongranulat natürliche Gesteinskörnung (Sand-Kies) Abb : Wasseraufnahme (W 10 ) von rezyklierten und natürlichen Gesteinskörnern unterschiedlicher Korngruppen in Abhängigkeit von der ofentrockenen Rohdichte. 0 Betongranulatproben R b Körner aus Mauer- und Dachziegeln aus gebranntem Ton, Kalksandsteinen R c Körner aus Beton, Betonprodukten, hydraulisch gebundenen Gesteinskörnern, Mörtel und Mauersteinen aus Beton R u Ungebundene Gesteinskörner, Naturstein Abb (links): Schwankungen in der stofflichen Zusammensetzung bei drei Betongranulatproben (Entnahmezeitraum der einzelnen Proben ca. drei Monate). 0 Mischgranulatproben Abb (rechts): Schwankungen in der stofflichen Zusammensetzung bei fünf Mischgranulatproben (Entnahmezeitraum der einzelnen Proben ca. vier Monate). 158 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 159

81 5. Betone mit besonderen Ausgangsstoffen 5.1 Recyclingbeton Zusatzmittel Die Dosiermenge von Fliessmitteln ist etwas höher als bei einem vergleichbaren Beton aus natürlicher Gesteinskörnung. Für Recyclingbetone werden spezielle, hochwirksame Fliessmittel angeboten. w/z-wert Für den Recyclingbeton gelten die Anforderungen an den Wasserzementwert (w/z-wert) gemäss SN EN Die Wasseraufnahme ist wie für natürliche Gesteinskörner nach SN EN zu bestimmen und bei der Betonherstellung zu berücksichtigen. Bei der Berechnung des w/z-werts anhand des ermittelten Wassergehalts aus der Frischbetonprüfung ist die Kernfeuchte der rezyklierten Gesteinskörnung zu berücksichtigen (siehe Beispiel 16) Hinweise für das Planen von Recyclingbeton Beispiel 24: Bezeichnung eines Recyclingbetons nach Eigenschaften für eine tragende Aussenwand: Beton nach SN EN und Merkblatt SIA 2030, Grundlegende Anforderungen: RC-C Druckfestigkeitsklasse C30/37 Expositionsklasse XC4 Nennwert Grösstkorn D max 32 Klasse des Chloridgehalts Cl 0.10 Konsistenzklasse C3 Zusätzliche Anforderungen: E-Modul > N/mm 2 Zementart CEM II/B-M R c + R b 40 M.-% Je höher der Anteil an rezyklierter Gesteinskörnung ist, desto geringer ist die Druckfestigkeit des Recyclingbetons. Recyclingbetone mit einem Anteil an Mischgranulat von bis zu 100 % werden aufgrund ihrer geringen Druckfestigkeit hauptsächlich als Magerbeton eingesetzt. Konstruktionsbetone enthalten je nach geforderter Druckfestigkeitsklasse in der Regel einen Anteil an rezyklierter Gesteinskörnung von ca. 40 bis 80 M.-%, wobei hierfür hauptsächlich Betongranulat verwendet wird (Abb ). Elastizitätsmodul (E-Modul) Der E-Modul von Recyclingbeton E rcm ist je nach Art der verwendeten rezyklierten Gesteinskörnungsart geringer als derjenige von Beton aus natürlicher Gesteinskörnung (Abb ). Der geringere E-Modul ist auf den geringeren E-Modul (geringere Rohdichte) der rezyklierten Gesteinskörnung im Vergleich zu natürlicher Gesteinskörnung und auf das höhere Zementsteinvolumen zurückzuführen. E-Modul [N/mm 2 ] Alluvialkies gebrochener Kalkstein glimmerhaltiges Gestein Mittlere Würfeldruckfestigkeit [N/mm 2 ] RC-C mit C > 50% RC-M mit M > 50% Bereiche zwischen den Kurven: Normalbeton aus natürlicher Gesteinskörnung gemäss SIA 262 Abb : E-Modul in Abhängigkeit von der Betondruckfestigkeit nach 28 Tagen für Recyclingbeton RC-C und RC-M im Vergleich zu Normalbeton hergestellt mit natürlicher Gesteinskörnung. Recycling beton Anteil an Recyclinggranulat [M.-%] Ausschreibung Die Ausschreibung eines Recyclingbetons als Beton nach Eigenschaften erfolgt mit dem Zusatz RC-C für Recyclingbeton mit Betongranulat oder RC-M für Recyclingbeton mit Mischgranulat. Die Druckfestigkeit dient der primären Bezeichnung des Recyclingbetons. Die Beurteilung der Recyclingbetoneigenschaften erfolgt neben der Gesteinskörnungszusammensetzung anhand des mittleren Elastizitätsmoduls E rcm und der mittleren Rohdichte ρ rcm. Diese beiden Betoneigenschaften sind bei der Bestellung von Beton zusätzlich zu den grundlegenden Anforderungen an den Beton nach Eigenschaften nach der Norm SN EN festzulegen. Die Gehalte an R c und R b sind zu deklarieren und im Sortenverzeichnis aufzuführen. Sind in der Ausschreibung des Recyclingbetons höhere Gehalte an rezyklierten Körnern R c als 25 M.-% gefordert, so sind diese gemäss der Kategorien der Norm SN EN zu definieren. Werden höhere Gehalte an Körnern R b als 5 M.-% gefordert, so sind diese in 10 %-Schritten zu definieren (15, 25, M.-%). Magerbeton C20/25 Kranbeton XC1, XC2 C25/30 Kranbeton XC1, XC2 C25/30 Pumpbeton XC1, XC2 C30/37 Pumpbeton XC1, XC2 100 % 25 % Abb : Richtwerte für den Anteil an rezyklierten Gesteins körnern für unterschiedliche Recyclingbetone. Festbetoneigenschaften Druckfestigkeit Die Druckfestigkeitsklassen des Recyclingbetons entsprechen denen für Beton nach Norm SN EN (siehe Kapitel 3.8.1). Im Vergleich zu Beton aus natürlicher Gesteinskörnung weist Recyclingbeton bei vergleichbarem w/z-wert eine geringere Druckfestigkeit auf. Dies ist auf die geringere Kornfestigkeit der rezyklierten Gesteinskörnung und das grössere Zementleimvolumen zurückzuführen. Betondruckfestigkeit im Alter von 28 Tagen [N/mm²] w/z-wert [-] Recyclingbeton mit Mischgranulat Recyclingbeton mit Betongranulat Beton mit natürlicher Gesteinskörnung (Alluvialkies) Abb : Druckfestigkeit in Abhängigkeit vom w/z-wert für Recyclingbetone, hergestellt mit Optimo 4. Zur Sicherstellung des geforderten E-Moduls ist im Merkblatt SIA 2030 festgelegt, dass der Betonhersteller den Elastizitätsmodul für den Recyclingbeton RC-M bei jeder dritten und für RC-C bei jeder sechsten Druckfestigkeitsprüfung zu ermitteln und anzugeben hat. Wenn für den E-Modul des Recyclingbetons E rcm keine entsprechendeen Herstellerangaben oder Versuchsergebnisse vorliegen (keine deklarierten Werte), ist der E-Modul für Beton aus natürlicher Gesteinskörnung E cm zu verwenden unter Berücksichtigung eines Umrechnungsfaktors η r (Tab , Gl ). Für E cm ist der Wert für Beton gleicher Druckfestigkeit f cm aus natürlicher Gesteinskörnung mit möglichst gleicher Herkunft zu verwenden, bzw. nach der Norm SIA 262 (siehe Kapitel 3.8.3, Gl ) zu ermitteln. RC-Betontyp RC-C RC-M Gehalt an rezyklierter Gesteinskörnung Rc 50 M.-% Rc > 50 M.-% Rc 50 M.-% Rc > 50 M.-% E η r = rcm 1 E cm η r Umrechnungsfaktor für die Eigenschaften von Recyclingbeton E rcm mittlerer Elastizitätsmodul für Recyclingbeton E cm mittlerer Elastizitätsmodul für Beton gleicher Druckfestigkeit f cm aus natürlicher Gesteinkörnung gleicher Herkunft η r = 0.9 (Gehalt an R c 50 M.-%) η r = 0.8 (Gehalt an R c > 50 M.-%) Gl Bei Recyclingbeton RC-M sind die folgenden Mindestwerte einzuhalten: E rcm N/mm 2 und ρ rcm 2000 kg/m 3 Wenn keine deklarierten Werte vorliegen, sind bei der Planung diese Mindestwerte zu verwenden. Ist die Rohdichte deklariert, kann der E-Modul des Recyclingbetons E rcm wie in Tab abgeschätzt werden. Dabei ist für die Rohdichte für Beton aus natürlicher Gesteinskörnung der Wert ρ cm = 2450 kg/m 3 zu verwenden. Elastiszitätsmodul ohne deklarierte Werte bei deklarierter Rohdichte (ρ cm = 2450 kg/m 3 ) E rcm E cm 0.9 E rcm E cm 0.8 E rcm E cm 0.9 (ρ rcm / ρ cm ) E rcm N/mm 2 ρ cm 2000 kg/m 3 E rcm E cm 0.8 (ρ rcm / ρ cm ) E rcm Mittelwert des Elastizitätsmoduls von Recyclingbeton E cm Mittelwert des Elastizitätsmoduls von Beton gleicher Druckfestigkeit aus natürlicher Gesteinskörnung möglichst gleicher Herkunft ρ rcm Mittelwert der Rohdichte von Recyclingbeton ρ cm Mittelwert der Rohdichte von Beton aus natürlicher Gesteinskörnung möglichst gleicher Herkunft Tab : Abschätzen des E-Moduls von Recyclingbeton gemäss Merkblatt SIA Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 161

82 5. Betone mit besonderen Ausgangsstoffen 5.1 Recyclingbeton Schwinden und Kriechen Sowohl das Schwinden als auch das Kriechen von Recyclingbeton sind mit zunehmendem Anteil an recyklierter Gesteinskörnung höher als jenes von Beton mit natür licher Gesteinskörnung bei gleicher Druckfestigkeit. Das höhere Schwinden ist vor allem auf den höheren Wassergehalt und das damit höhere Zementsteinvolumen zurück zuführen (siehe Kapitel 3.9). Sind dem Planer die Angaben zum Schwinden und Kriechen des Recyclingbetons nicht bekannt, kann gemäss Merkblatt SIA 2030 das Verhalten unter Verwendung des Elastizitätsmodul E rcm analog zum Beton nach der Norm SN EN abgeschätzt werden mit dem Ansatz: Betonzusammensetzung In Tabelle sind die Betonzusammensetzung sowie ausgewählte Festbetoneigenschaften von Recyclingbeton mit Betongranulat aufgeführt. Zement Gesteinskörnung CEM II/B-M (T-LL) (Optimo 4) Dichte [kg/dm 3 ] Anteil [M.-%] Recyclingbeton mit Betongranulat Dosierung [kg/m 3 ] Volumen [l/m 3 ] Sand 0/ Kies 4/ Kies 8/ Kies 16/ Betongranulat 8/ Wasser Tab : Beispiele für den Mischungsentwurf eines Recyclingbetons mit Betongranulat für einen Beton der Betonsorte C (Expositionsklasse XC4) und ausgewählte Festbetoneigenschaften. Schwindverhalten: ε rcs, = ε cs, η r Luft 15 Zusatzmittel Fliessmittel nach Bedarf (z. B M.-% bez. Z.) ε rcs, Endwert des Schwindmasses von Recyclingbeton ε cs, Endwert des Schwindmasses von Beton nach SN EN η r Umrechnungsfaktor für die Eigenschaften von Recyclingbeton Rohdichte und Volumen des Frischbetons w/z-wert 0.48 ausgewählte Betoneigenschaften Druckfestigkeit [N/mm 2 ] 40 Gl Abb : Schnittfläche eines Recyclingbetons aus Mischgranulat. E-Modul [N/mm 2 ] Kriechverhalten: φ rc (t,t 0 ) = 1.25 φ(t,t 0 ) φ rc (t,t 0 ) Kriechzahl von Recyclingbeton φ(t,t 0 ) Kriechzahl von Beton gleicher Druckfestigkeit aus natürlicher Gesteinskörnung möglichst gleicher Herkunft Gl Beim Einsatz von RC-M ist zu beachten, dass die Querkraftbemessung und der Durchstanznachweis gemäss der Norm SIA 262 mit D max = 0 wie für Leichtbeton zu führen ist. Ökologische Aspekte Durch den Einsatz von rezyklierter Gesteinskörnung werden die natürlichen Kiesressourcen geschont und die damit verbundene Inanspruchnahme von Land reduziert. Das zu deponierende Abfallvolumen wird vermindert und somit die Umwelt entlastet. Jedoch führt der Einsatz von rezyklierter Gesteinskörnung bei der Betonherstellung zu keiner signifikanten Reduktion der CO 2 -Emissionen, sondern aufgrund des erhöhten Zementgehaltes in vielen Fällen sogar zu einer Erhöhung derselben. Dennoch wird von vielen Bauherren der Einsatz von Recyclingbeton gefordert (z. B. KBOB-Empfehlung), insbesondere bei der Erstellung von Neubauteilen mit dem Nachhaltigkeitsstandard MINERGIE-ECO. In diesem Nachhaltigkeitsstandard werden folgende Anforderungen beim Einsatz von Recyclingbeton im Neubau gestellt: Der Volumenanteil an Bauteilen aus Recyclingbeton (gemäss SIA Merkblatt 2030), bezogen auf die Betonkonstruktion, für welche Recyclingbeton grundsätzlich angewendet werden kann, muss mindestens 50 % betragen Die Distanz zwischen RC-Betonwerk und Baustelle darf maximal 25 km betragen. Besteht keine Bezugsmöglichkeit in einem Umkreis von 25 km der Baustelle oder muss das Recyclingmaterial weiter als 25 km zum Betonwerk transportiert werden, so ist Recyclingbeton nicht zu verwenden Die stoffliche Zusammensetzung der rezyklierten Gesteinskörnung muss die Vorgaben des SIA Merkblatts 2030 erfüllen Recyclingbeton nach Eigenschaften für konstruktiv tragende Bauteile: Der Gehalt der Bestandteile R c und R b beträgt mindestens 40 %, ausgezählt nach SN Recyclingbeton nach Zusammensetzung für Füll-, Hüll- und Unterlagsbeton etc.: Der Mindestgehalt der Bestandteile R c und R b beträgt mindestens 80 %, ausgezählt nach SN Für die Einhaltung der Kriterien und Vorgaben sind durch den Planer folgenden Massnahmen zu ergreifen: Abklären der Verfügbarkeit der RC-Betonsorten Festlegen der Bauteile, welche aus Recyclingbeton gefertigt werden können und Sicherstellen des geforderten Mindestanteils in Bezug zum gesamten Betonvolumen Ausschreiben der entsprechenden RC-Betonsorten mit den vorhergesehenen Mengen im Devis Abb : Recyclingbeton mit Betongranulat im Frischbetonzustand. 162 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 163

83 5. Betone mit besonderen Ausgangsstoffen 5. Betone mit besonderen Ausgangsstoffen 5.2 Leichtbeton 5.2 Leichtbeton Einleitung Leichtbeton unterscheidet sich von Normalbeton durch eine geringere Trockenrohdichte, welche durch Beimischen von leichter Gesteinskörnung mit hoher Porosität bzw. geringer Rohdichte erreicht wird. Leichtbetone können nach ihrer Zusammensetzung in folgende Gruppen unterteilt werden: Konstruktiver (gefügedichter) Leichtbeton Haufwerksporiger Leichtbeton (Beton ohne Feinbestandteile) Porenleichtbeton (Schaumbeton) Porenbeton Haufwerksporiger Leichtbeton, Porenleichtbeton und Porenbeton sowie Beton mit einer Rohdichte von weniger als 800 kg/m 3 sind keine Betone nach SN EN und werden nachfolgend nicht weiter behandelt. Konstruktiver Leichtbeton Konstruktiver Leichtbeton hat ein geschlossenes Gefüge wie Normalbeton (Abb ). Die angestrebte geringe Rohdichte wird durch den teilweisen bis vollständigen Austausch der dichten groben Gesteinskörnung gegen die porige leichte Gesteinskörnung erreicht. In einem weiteren Schritt kann zusätzlich die feine Gesteinskörnung gegen Leichtsand ausgetauscht werden. Die wichtigste Eigenschaft eines konstruktiven Leichtbetons ist das geringe Eigengewicht. Bauteile aus Leichtbeton können je nach verwendeter Festigkeitsklasse mit einer Gewichtsersparnis von 600 bis 1000 kg/m 3 Beton hergestellt werden. Eine weitere Eigenschaft des Leichtbetons ist die im Vergleich zum Normalbeton geringere Wärmeleitfähigkeit. Leichtbetone mit Trockenrohdichten im Bereich von 800 bis 1000 kg/m 3, sogenannte Dämmbetone, sind einerseits gefügedicht, damit konstruktiv tragfähig und weisen andererseits wärmedämmende Eigenschaften auf. Damit ist es möglich Wände in Sichtbeton herzustellen, die ohne aufwendige zweischalige Konstruktionen oder zusätzliche Dämmschichten auskommen können. Allerdings würden solche einschaligen Wände aus Dämmbeton ohne zusätzliche Dämmung grosse Bauteildicken aufweisen (ca m), um die derzeitige Anforderungen Abb : Anschliff eines gefügedichten, konstruktiven Leicht betons mit Blähton. an den Wärmeschutz (U-Wert = 0.15 W/m 2 K) zu erfüllen. Die gewünschte Trockenrohdichte eines Dämmbetons ist nur durch zusätz liche Zugabe eines speziellen Luftporenbildners oder Porenbildners für Schaumbeton (auch Schaumbildner genannt) möglich. Die Verfügbarkeit von Leichtbetonen in einem Betonwerk sollte frühzeitig abgeklärt werden Normative Anforderungen Allgemeines Konstruktiver Leichtbeton ist ein Beton mit einer Trockenrohdichte von weniger als 2000 kg/m 3. Für Leichtbeton nach Eigenschaften sind nach der Norm SN EN die Druckfestigkeit und die Rohdichte als grundlegende Anforderungen festzulegen. In der Schweiz werden hauptsächlich Leichtbetone mit einer Festigkeitsklasse LC 8/9 bis LC 35/38 und einer Rohdichteklasse D1.0 bis D1.8 eingesetzt (vgl. Kapitel 2.3.2). Die Festigkeitsklassen von Leichtbeton und Normalbeton sind nicht gleich. Nur für die Werte der Zylinderdruckfestigkeit stimmen sie überein. Die Werte der zugehörigen Würfeldruckfestigkeit sind bei Leichtbeton um etwa 10 bis 13 % höher, während sie bei Normalbeton um ca. 15 bis 25 % höher sind. Dieser Unterschied beruht auf dem unterschiedlichen Bruchverhalten von Normal- und Leichtbeton. Im Leichtbeton gehen die Bruchflächen durch die leichte Gesteinskörnung hindurch, wenn die Tragfähigkeit der leichten Gesteinskörnung ausgeschöpft ist. Dies geht mit einer geringeren Querdehnung im Vergleich zu Normalbeton einher. Je geringer die Querdehnung eines Betons, desto geringer ist der Unterschied zwischen Würfel- und Zylinderdruckfestigkeit. Die Rohdichte eines Leichtbetons wird nach der Norm SN EN an Proben bestimmt, die bei einer Temperatur von 105 C getrocknet wurden. Nachweis Die Porosität der leichten Gesteinskörnung bewirkt, dass dem Zementleim sowohl während des Mischens als auch im Zeitraum bis zum Erstarren Wasser entzogen werden kann. Dieses Wassersaugen beschleunigt das Ansteifen des Frischbetons. Die Wasseraufnahme der groben leichten Gesteinskörnung ist nach Norm SN EN im Vorfeld zu bestimmen. Es wird empfohlen, bei groben leichten Gesteinskörnungen nur die Wasseraufnahme innerhalb der ersten 60 min zu berücksichtigen, damit die tatsächliche Wasseraufnahme im Leichtbeton nicht überschätzt und der wirksame Wassergehalt nicht unterschätzt werden. Bei leichtem Brechsand sind für die Wasseraufnahme nur 70 % des gemessenen Wertes anzusetzen Betontechnologie Zement Für die Herstellung von Leichtbeton eignen sich alle Zemente, die in der Norm SN EN zugelassen sind. Bei Bauteildicken grösser als 40 cm ist zu berücksichtigen, dass die leichte Gesteinskörnung den Abfluss der Hydratationswärme behindert. Infolge dessen kann es zu höheren Temperaturen im Bauteil kommen, die zu einer Rissbildung führen kann. Für diese Fälle wird empfohlen, Zemente mit geringer Hydratationswärme zu wählen. Gesteinskörnung Gesteinskörnungsart Typische und am meisten verwendete leichte Gesteinskörnungen für konstruktiven Leichtbeton sind Blähton, Blähglas, Schaumglasschotter und Naturbims (Abb bis 5.2.5). Diese können auch untereinander gemischt werden. Blähton ist eine aus blähfähigem Ton industriell hergestellte leichte Gesteinskörnung mit hoher Kornporosität. Der Ton wird getrocknet, gemahlen und bei rund 1200 C zum Blähen gebracht und zu kleinen Kügelchen gebrannt. Er zeichnet sich durch seine runde Kornform und eine geschlossene Oberfläche aus. Die gewünschte Rohdichte lässt sich gezielt einstellen. Das Grösstkorn der Gesteinskörnung liegt bei 10 mm. Blähglas ist eine aus Recyclingglas hergestellte leichte Gesteinskörnung mit hoher Kornporosität. Das gereinigte Altglas wird zu Glasmehl gemahlen, gemischt und zu einem Rohgranulat geformt. Dieses Rohgranulat wird zu einem Blähglas bei Temperaturen von C gesintert und aufgeschäumt. Es zeichnet sich durch seine runde Kornform und eine geschlossene Oberfläche aus. Das Grösstkorn der Gesteinskörnung liegt bei 4 mm. Glasschotter ist ein aus Altglasmehl aufgeblähtes Schaum glas, welches in einem Blähverfahren bei Temperaturen von ca. 900 C hergestellt wird. Das Schaumglas wird anschliessend auf ca. 300 C abgekühlt. Dabei treten Spannungsrisse auf, welche das Material zu einem Schaum glasschotter zerfallen lassen. Abb : Blähton. Abb : Blähglas. Abb : Glasschotter. Abb : Naturbims. 164 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 165

84 5. Betone mit besonderen Ausgangsstoffen 5.2 Leichtbeton Abb : Rohdichte bereiche ausgewählter leichter und normale Gesteinskörnungen. Schaumglasschotter Blähglas Naturbims Blähton Kies, Splitt leichte Gesteinskörnung Naturbims ist ein natürliches vulkanisches Gestein. Das einzelne Naturbimskorn enthält bis zu 85 Vol.-% Luft in Form fein verteilter Poren. Naturbims wird i. d. R. auf eine Korngrösse von maximal 4 mm gebrochen. Kornrohdichte In Abhängigkeit von den verwendeten Ausgangsstoffen und Herstellungsverfahren weisen die Leichtgesteinskörnungen unterschiedliche Rohdichten auf (Abb ). Wasseraufnahme Das leichte Gesteinskorn weist eine um ca. 5 bis 20 % höhere Wasseraufnahme auf als das natürliche Gesteinskorn. Diese Wasseraufnahme kann das Ansteifen des Frischbetons beschleunigen. Dem kann durch ein gezieltes Vornässen der Gesteinskörnung, eine längere Mischzeit und/oder die Wahl einer weicheren Ausgangskonsistenz entgegengewirkt werden. Mehlkorn Bei der Verwendung von leichter, feiner Gesteinskörnung ist zu überprüfen, ob ein ausreichender Mehlkorngehalt im Beton erreicht wird. Der Mehlkorngehalt kann durch die Erhöhung des Zementgehaltes oder durch die Zugabe von Zusatzstoffen erhöht werden. Zusatzmittel Die Entmischungsgefahr des Leichtbetons kann verringert und der Zusammenhalt des Frischbetons erheblich verbessert werden durch künstlich eingebrachte Mikroluft poren und/oder die Zugabe eines Stabilisators. Die künstlich eingebrachten Mikroluftporen bewirken eine zusätzliche Verminderung der Rohdichte des Zementleims. Bei Dämm betonen (Leichtbeton mit Trockenrohdichte 1000 kg/m 3 ) beträgt der Luftporengehalt ca Vol.-%. Durch die Zugabe von Stabilisatoren wird die Viskosität des Zementleims so erhöht, dass das Aufschwimmen der leichten Gesteinskörnung behindert wird. normale Gesteinskörnung Rohdichte [kg/m 3 ] Zusatzstoffe Bei Leichtbetonen mit Leichtsanden wird der geringe Mehlkornanteil durch die Zugabe von Zusatzstoffen ersetzt. Dadurch wird der Zusammenhalt der Mischung und der Oberflächenschluss verbessert sowie Entmischungen entgegengewirkt. Das anteilmässige Ersetzen des Zements durch Flugasche hat für Leichtbetone den Vorteil, dass der aufgrund der wärmedämmenden Wirkung des Betons deutlich verlangsamte Abfluss der Hydratationswärme verringert wird. Konsistenz In der Praxis haben sich Leichtbetone mit einer Konsistenzklasse C3 bis C4 bewährt. Bei Dämmbetonen wird häufig mit einer Konsistenzklasse F4 bis F5 gearbeitet. Grundsätzlich ist zu beachten, dass bei sehr weicher Konsistenz der Leichtbeton zum Entmischen neigen kann, indem die leichten Gesteinskörner aufschwimmen. Mischen Transport Einbau Verdichten Mischen Die Dosierung der leichten Gesteinskörnung erfolgt in der Regel gravimetrisch. Dafür müssen der Feuchtegehalt und die Schüttdichte der Gesteinskörnung regelmässig überprüft und beim Dosieren berücksichtigt werden. Bei Verwendung einer stark wassersaugenden leichten Gesteinskörnung wie Blähton kann die Mischreihenfolge optimiert werden, indem zunächst die leichte Gesteinskörnung mit bis zu 2/3 des benötigten Zugabewassers vorgemischt und dann der Zement und das restliche Wasser hinzugefügt werden. Erst dann sollten ggf. flüssige Betonzusatzmittel zugesetzt werden, damit sie nicht von der Gesteinskörnung aufgesaugt und dadurch in ihrer Wirkung eingeschränkt werden. Die empfohlene Mindestmischzeit von gefügedichtem Leichtbeton, nach Zugabe aller Bestandteile, beträgt 90 Sekunden. Bei Verwendung von Porenbildnern für Schaumbeton (Schaumbildner) ist die Mischzeit auf 180 bis 200 Sekunden zu erhöhen. Transport Der Transport im Fahrmischer sollte bei Leichtbetonen mit Rohdichte kleiner 1500 kg/m 3 nicht länger als 30 Minuten dauern. Bei längeren Transportzeiten sind Vorversuche vorgängig vorzunehmen. Einbau In der Regel sind Leichtbetone mit einer Trockenrohdichte von mehr als 1600 kg/m 3 pumpbar. Die Höhe der einzelnen Einbaulagen von Beton mit natürlicher Gesteins körnung (50 70 cm) sollten bei Leichtbetonen mit Trockenrohdichten kleiner 1500 kg/m 3 um ca. 50 % reduziert werden (Kapitel 3.4.4). Verdichten Bei Leichtbeton ist ein grösserer Verdichtungsaufwand notwendig, da die Rohdichte geringer ist und die leichte Gesteinskörnung die zugeführte Verdichtungsenergie stärker dämpft. Dadurch wird der übliche Wirkungsbereich der Vibriernadel (Innenrüttler) um ca. 30 bis 40 % vermindert, so dass der Abstand zwischen den Eintauchstellen der Vibriernadeln anzupassen ist. Die Verdichtungsdauer ist auf die Konsistenz abzustimmen, um ein Aufschwimmen der leichten Gesteinskörnung zu ver meiden (siehe Kapitel 3.5). Nachbehandlung In Abhängigkeit von der Betonzusammensetzung und der Bauteildicke sind für Bauteile aus Leichtbeton verlängerte Einschalfristen (> 24 Stunden, bis 5 Tage) und wärmedämmende Massnahmen wie Abdecken des Bauteils mit Dämmmatten nach dem Ausschalen zu ergreifen. Dadurch können Risse, die aus dem Temperaturgefälle zwischen Betonkern und -randzone entstehen, vermieden werden. Gegebenenfalls sind Massnahmen zur Verringerung der Hydratationswärmeentwicklung zu ergreifen (siehe Kapitel 3.6) Hinweise für das Planen von Leichtbeton Tragverhalten Das Tragverhalten von konstruktivem Leichtbeton im Vergleich zu Normalbeton ist in Abbildung dargestellt. Während bei Normalbeton die Lastabtragung über die normale Gesteinskörnung erfolgt, führen die geringe Steifigkeit und Festigkeit der leichten Gesteinskörnung zu einem Kraftfluss überwiegend über den Zementstein. Festbetoneigenschaften Druckfestigkeit Die Porosität der leichten Gesteinskörnung (Rohdichte) beeinflusst massgeblich die Betonrohdichte: Je geringer die Rohdichte der Gesteinskörnung desto geringer ist die Trockenrohdichte des Leichtbetons. Die Druckfestigkeit des Leicht betons wiederum steht in direktem Zusammenhang mit der Betontrockenrohdichte: Je niedriger die Betontrockenrohdichte, umso geringer ist die Druckfestigkeit (Abb ). Normalbeton Würfeldruckfestigkeit [N/mm 2 ] E-Modul [N/mm 2 ] Leichtbeton Trockenrohdichte des Leichtbetons [kg/m 3 ] Leichtbeton mit Leichtsand Leichtbeton mit Natursand Trockenrohdichte des Leichtbetons [kg/m 3 ] Leichtbeton mit Leichtsand Leichtbeton mit Natursand Abb : Schematische Darstellung der Lastabtragung bei Normalbeton (links) und bei konstruktivem Leichtbeton (rechts). Abb : Zusammenhang zwischen Würfeldruckfestigkeit und Trockenrohdichte eines Leichtbetons mit Blähton. Abb : Zusammenhang zwischen E-Modul und Trockenrohdichte eines Leichtbetons mit Blähton. 166 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 167

85 5. Betone mit besonderen Ausgangsstoffen 5.2 Leichtbeton Zugfestigkeit Die Zugfestigkeit des Betons kann auf der Basis der Druckfestigkeit abgeschätzt werden (Kapitel 3.8.2). Für Leichtbeton ist mit dem folgenden, rohdichteabhängigen Umrechnungsfaktor die Zugfestigkeit gemäss Gl abzumindern: η l = ρ 2200 η l Umrechnungsfaktor für Zugfestigkeit [-] ρ Trockenrohdichte des Betons [kg/m 3 ] Gl Der E-Modul des Leichtbetons ist umso geringer je kleiner die Trockenrohdichte des Leichtbetons ist. Dieser Zusammenhang wird für unterschiedlich zusammengesetzte Leichtbetone in Abb aufgezeigt. Der E-Modul des Leichtbetons kann auf der Basis der Druckfestigkeit abgeschätzt werden (Kapitel 3.8.3). Für Leichtbeton ist der folgende, rohdichteabhängige Umrechnungsfaktor für den E-Modul gemäss Gl zu verwenden. η le = ρ Wärmeleitfähigkeit Die Empfehlung SIA 381/1 gibt für Leichtbetone mit leichter Gesteinskörnung aus Blähton Bemessungswerte für die Wärmeleitfähigkeit λ in Abhängigkeit von der Trocken rohdichte an (Tab ). Trockenrohdichte ρ des Leichtbetons [kg/m 3 ] Wärmeleitfähigkeit λ [W/mK] Abb : Betonieren einer Wand mit Leichtbeton. Tab : Beispiele für den Mischungsentwurf eines Leichtbetons für unterschiedliche Rohdichteklassen und ausgewählte Festbetoneigenschaften. E-Modul Der E-Modul des Leichtbetons hängt hauptsächlich von dem E-Modul der leichten Gesteinskörnung und dem E-Modul des Zementsteins ab. Die Elastizitätsmoduli der leichten Gesteinskörnungen liegen zwischen 3000 und N/mm 2 und erreichen damit nur einen Bruchteil des E-Moduls von normaler Gesteinskörnung. Sie sind im Allgemeinen auch geringer als diejenigen des Zementsteins. Je nach Gesteinskörnungsart, Druckfestigkeit und Trockenrohdichte des Leichtbetons liegt der E-Modul von konstruktivem Leichtbeton zwischen 5000 und N/mm 2. Bei gleicher Festigkeitsklasse beträgt der E-Modul von Leichtbeton nur etwa 30 bis 70 % der Werte von Normalbeton. Ausgangsstoff Dichte [kg/dm 3 ] η le Umrechnungsfaktor für E-Modul [-] ρ Trockenrohdichte des Betons [kg/m 3 ] Gl Schwinden und Kriechen Das Schwindmass von Leichtbeton liegt 20 % bis 50 % über demjenigen von Normalbeton gemäss der Norm SIA 262. Für Leichtbetone können die Auswirkungen des Kriechens gemäss der Norm SIA 262 abgeschätzt werden. Die Kriechzahl φ(t,t 0 ) ist mit dem rohdichteabhängigen Umrechnungsfaktor η le (siehe Gl ) abzumindern. Leichtbeton Rohdichteklasse D1.0 Menge [kg/m 3 ] Volumen [l/m 3 ] Leichtbeton Rohdichteklasse D1.2 Menge [kg/m 3 ] Volumen [l/m 3 ] Leichtbeton Rohdichteklasse D1.8 Menge [kg/m 3 ] Zement CEM II/B-M(T-LL) (Optimo 4) Zusatzstoff Flugasche Volumen [l/m 3 ] 2400 (Stahlbeton) 1.80 Tab : Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit der Trockenrohdichte für Leichtbeton mit Blähton und von Normalbeton (Bemessungswerte der Empfehlung SIA 381/1). Dauerhaftigkeit Gefügedichter Leichtbeton kann an der Betonoberfläche sehr viele Poren und Lunker mit einer Grösse bis zu mehreren Zentimetern aufweisen, die in der Regel keinen negativen Einfluss auf die Dauerhaftigkeit ausüben. Es wird empfohlen, eine saugende Schalung zu verwenden, um Anzahl und Grösse der Lunker zu reduzieren. Zudem wird jedoch empfohlen, der Witterung ausgesetzte Bauteiloberflächen nachträglich, jedoch frühestens nach 28 Tagen, durch eine Hydrophobierung zu schützen, wenn die Rohdichteklasse des Leichtbetons kleiner D1.2 ist. Durch das Hydrophobieren wird der Frostwiderstand des Leichtbetons erhöht und das Reinigen von Verschmutzungen und Graffitis auf der Betonoberfläche vereinfacht. Betonzusammensetzung In Tabelle sind die Betonzusammensetzungen sowie ausgewählte Festbetoneigenschaften von unterschiedlichen Leichtbetonen aufgeführt. normale Gesteins körnung leichte Gesteins körnung Sand 0/ Blähton Wasser Luft Zusatzmittel Fliessmittel, Luftporenbildner, Schaumbildner nach Bedarf Rohdichte und Volumen des Frischbetons ausgewählte Festbetoneigenschaften Druckfestigkeit [N/mm 2 ] E-Modul [N/mm 2 ] Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 169

86 5. Betone mit besonderen Ausgangsstoffen 5. Betone mit besonderen Ausgangsstoffen 5.3 Faserbeton 5.3 Faserbeton Anwendung Stahl - fasern Makrokunststoff - fasern Mikrokunststoff - fasern Tab : Anwendungsgebiete für Faserbeton. Gefälleeignung X X Grünstandfestigkeit von Fertigteilen (Tübbinge, Rohre, Kanalelemente) X X Plastisches Schwinden X Trockenschwinden (wasserdichte Bauteile) X X Einleitung Ein Faserbeton ist ein Beton, dem bei der Herstellung zur Verbesserung der Tragfähigkeit und der Gebrauchstauglichkeit Fasern, hauptsächlich Stahl- oder Kunststofffasern, zugesetzt werden (siehe Kapitel 1.5). Die Fasern sind im Zementstein eingebettet und wirken dort als Bewehrung. In besonderen Fällen werden Fasern zur Verbesserung der Frischbetoneigenschaften, z. B. Grünstandfestigkeit oder Erhöhung des Brandwiderstandes, zu ge geben. Der Begriff Faserbeton wird auch benutzt, wenn das Grösst korn kleiner als 4 mm ist. Ultrahochleistungs-Faserbeton (UHFB) wird gesondert im Kapitel 7.3 behandelt. Die folgenden Ausführungen beschränken sich auf Kurzfasern mit einer Länge von maximal 50 mm. Je nach Verarbeitungsbedingungen können die Fasern im erhärteten Beton verteilt sein: nach Lage und Richtung räumlich gleichmässig im gesamten Betonvolumen, inklusive Oberflächen, Kanten und Ecken mit unterschiedlicher Richtung vorwiegend in einer Ebene (Faserspritzbeton) Die Zugabe von Fasern kann die Rissausbreitung hemmen und eine Aufteilung in viele sehr feine und in der Regel unschädliche Risse bewirken. Damit wird der Rissfortschritt erheblich behindert (Abb ). Ist ein Erstriss im Beton entstanden, können Fasern Spannungen und Kräfte auch im Rissbereich übertragen. Sind sie ausreichend im Zementstein eingebunden, vernähen sie die beiden Rissufer miteinander und behindern die Ausbreitung des Risses. Sie wirken somit als Rissbremse (Abb ). Risse im Beton können unterschiedliche Ursachen haben (siehe Kapitel 8.4). Eine Massnahme zur Vermeidung von Rissen kann die Zugabe von Fasern sein. In Tabelle wird eine Zuordnung der in der Praxis am meisten verwendeten Fasern zu Ursachen für die Rissbildung vorgenommen. Ohne Faser Tunnelsicherung mit Spritzbeton Duktilität bei schlag- und stossbelasteten Bauteilen (Industrieböden, Leitmauern, Bunker) Erhöhung des Tragwiderstands (ermüdungsbeanspruchte Bauteile) Verbesserung des Abrasionswiderstandes Ersatz der konstruktiven Bewehrung (Fundamente, Kelleraussenwände) Erhöhung des Brandwiderstandes Fugenlose dichte Bodenplatten Normative Anforderungen Faserbeton muss grundsätzlich die Anforderungen der Norm SN EN erfüllen. Zusätzlich sind die Regelungen zum Stahlfaserbeton in der Empfehlung SIA 162/6 Stahlfaserbeton zu beachten. Als zusätzliche Anforderung sind der Fasertyp (Länge, Durchmesser, Geometrie, Zugfestigkeit) und die Faserdosierung oder die geforderten mechanischen Eigenschaften wie z. B. die wirksame Biegezugfestigkeit f ctf bzw. die Bruchenergie G f anzugeben. X X X X X X X X Abb Quadrat- und Kreisplatte aus Stahl faserbeton nach der Prüfung nach SIA 162/6. w Unbewehrter Beton w Faserbewehrter Beton Mit Faser Beide Kenngrössen sind nach der Empfehlung SIA 162/6 experimentell an einer Quadrat- oder Kreisplatte aus Stahlfaserbeton zu bestimmen (Abb ). Alternativ kann die wirksame Biegezugfestigkeit auch an einem Biegebalken (EN Prüfbalken für Stahlfasern) ermittelt werden. Schnittgrössen M R N R Spannungen f ctf f c 0.8x x h x Abb : Spannungsverteilung für die Ermittlung des Querschnittwiderstands gemäss SIA 162/6. Spannungsfreier Riss w c Spannungsübertragender Riss w σ w (w) f c Spannungsübertragender Riss σ w (w) w f c Der Nachweis der Tragsicherheit von faserbewehrtem Beton erfolgt über die Bestimmung des Querschnittwiderstands. Vereinfachend wird der Beitrag der Fasern zur Kraftübertragung mit einem Spannungsblock auf der Zugseite berücksichtigt (Abb ). M R = Biegemoment N R = Kraft f c = Druckfestigkeit f ctf = Biegezugfestigkeit h = Höhe Abb : Querschnitt eines gerissenen, unbewehrten und eines faserbewehrten Betons mit dem Bereich der Spannungsübertragung bei einem Erstriss. Abb : Risshemmende und rissverteilende Wirkung von Fasern im Vergleich zu Beton ohne Fasern. 170 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 171

87 5. Betone mit besonderen Ausgangsstoffen 5. Betone mit besonderen Ausgangsstoffen 5.3 Faserbeton Es wird empfohlen, Faserbetone mit Makrokunststofffasern analog zu bemessen, bis eine neue normative Regelung in der Schweiz eingeführt ist. Faserverstärkter Spritzbeton besitzt gemäss der Norm SN EN zusätzliche und/oder ergänzende Eigenschaften: Klassifizierung der Restfestigkeit Klassifizierung des Energieabsorptionsvermögens Die Restfestigkeit, auch Nachrissfestigkeit genannt, ist eine berechnete Spannung in faserverstärktem Beton in Abhängigkeit von der Durchbiegung eines Probekörpers in einem Biegeversuch. Das Energieabsorptionsvermögen gibt an, wieviel Energie beim Belasten einer faserverstärkten Betonplatte aufgenommen wird (Fläche unter Spannungs-Dehnungs-Linie, Abb ) Betontechnologie Allgemeines Die Betonzusammensetzung von Faserbetonen entspricht im Allgemeinen der Betonzusammensetzung von Pumpbetonen (siehe Kapitel 4.1). Faserbetone weisen einen höheren Zementleimbedarf auf, um die Fasern ausreichend zu umhüllen und einen Oberflächenschluss erzielen zu können. Die Sieblinie der Gesteinskörnung ist sandreicher als bei Beton ohne Fasern. Sie werden in der Regel mit weicher Konsistenz eingebaut. Stahlfaserbetone für bewehrte Industriefussböden weisen Stahlfasergehalte von bis zu 35 kg/m 3 auf. Höhere Faserdosierungen von kg/m 3 werden in der Praxis nur für spezielle Anwendungen eingesetzt, z. B. wenn ein grosser Teil der Mindestbewehrung durch Stahlfasern ersetzt wird. Übliche Dosierungen von Mikrokunststofffasern liegen bei kg/m 3 zur Begrenzung des plastischen Schwindens und bei 2 4 kg/m 3 zu Erhöhung des Brandwiderstands. Makrokunststofffasern werden mit 3 10 kg/m 3 zur Erhöhung des Tragwiderstands zugegeben. Gesteinskörnung Das Grösstkorn der Gesteinskörnung kann die Verteilung und Orientierung der Fasern beeinflussen. Wenn die Faserlänge bezogen auf das Grösstkorn zu gering ist, werden die Fasern vom Gesteinskorn verdrängt und die Länge ist nicht ausreichend, um Risse zwischen den Grösstkörnern wirksam zu überbrücken (Abb ). Es muss daher auf die Faserlänge abgestimmt sein. Bei faserbewehrtem Spritzbeton wird es häufig auf 8 mm begrenzt. Faserbeton für Industrieböden und Verkehrsflächen hingegen kann mit einem Grösstkorn von 32 mm hergestellt werden (übliche Länge der Stahlfasern 60 mm). Im Allgemeinen sollte die Faserlänge mindestens das 2-fache des Grösstkorndurchmessers betragen. Gebrochene Gesteinskörnungen und Ausfallkörnungen in Verbindung mit hohen Fasergehalten können die Verarbeitbarkeit beinflussen. 8mm 32mm Abb : Einfluss des Grösstkorns auf die Faserverteilung: links homogene Durchmischung von Fasern und Gesteinskörnung, rechts Verdrängung der Fasern durch ein zu gross gewähltes Grösstkorn der Gesteinskörnung. Mischen Die Fasern werden beim Mischprozess dem Frischbeton zugegeben. Dabei ist besonders auf die Vereinzelung der Fasern und ihre homogene Verteilung im Frischbeton zu achten. Es wird empfohlen, erst den Ausgangsbeton herzustellen und dann die Fasern zuzugeben. Die Nassmischzeit erhöht sich bei Stahlfasern nicht. Das Zudosieren der Fasern im Hauptmischer des Betonwerks sichert eine optimale Verteilung der Fasern. Fasern können auch im Fahrmischer zugegeben werden. Die Trommel sollte sich dabei mit hoher Geschwindigkeit während 5 Minuten drehen. Fasern für tragende Zwecke sollten beim Mischen weder beschädigt, geknickt noch verbogen werden. Mit zunehmender Schlankheit der Fasern (Verhältnis von Länge zu Durchmesser) nimmt die Verarbeitbarkeit ab und die Neigung zur Igelbildung der Fasern zu (Abb ). In der Praxis werden Faserschlankheiten von eingesetzt. Grössere Fasermengen lassen sich am besten mit automatisierten Förder- und Dosiereinrichtungen (Abb ), die eine grosse Arbeitserleichterung und Zeitersparnis bieten, zugeben. Fasern werden auch als Bündel verklebt, welche sich im Frischbeton auflösen, oder in wasserlöslichen Beuteln, die die Dosierung erleichtern, angeboten. Abb : Stahlfaserbeton im Frischbetonzustand. Abb : Dosierspirale für Stahlfasern. Einbau Der Einbau eines Faserbetons erfolgt im Wesentlichen wie beim Normalbeton. Der Baugrund muss frostfrei und ausreichend tragfähig sein. Zwischen dem verdichteten Baugrund und der Bodenplatte werden Plastikfolien als Trennlage verlegt, der Einbau einer Sauberkeitsschicht erübrigt sich in den meisten Fällen. Im Wohnungsbau wird die Bodenplatte aus Stahlfaserbeton in einem Arbeitsgang eingebracht. Da üblicher Weise auf die zweilagige Bewehrung verzichtet werden kann, wird der Beton direkt aus dem Fahrmischer in die Bodenplatte eingebaut. Zusätzlich kann durch die Wahl grösserer Plattenabmessungen bei der Verwendung von Faserbetonen die Einbauleistung erhöht werden. Soll der Stahlfaserbeton gepumpt werden, wird das Grösstkorn i. d. R. auf 16 mm beschränkt. Es ist für eine genügend grosse Förderleitung (Durchmesser: 120 mm) zu sorgen und auf Bögen sollte wegen einer möglichen Verstopfung verzichtet werden. Verdichten Faserbetone benötigen mehr Verdichtungsenergie als faserfreie Betone. Die erforderliche Verdichtungsenergie nimmt mit steigendem Fasergehalt zu. Übliche Geräte wie Innenrüttler, Rüttelbohlen und Flügelglätter können verwendet werden. Zement Grundsätzlich sind alle freigegebenen Zementarten gemäss Norm SN EN für die Herstellung von Faserbeton geeignet. Abb : Faserigel, die durch unzureichende Vereinzelung der Fasern bei der Zugabe in den Mischer und eine nicht angepasste Rezeptur entstehen können. 172 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 173

88 5. Betone mit besonderen Ausgangsstoffen 5.3 Faserbeton Hinweise für das Planen von Faserbeton Wesentliche Einflüsse der Fasern auf die Nachrissfestigkeit Tragverhalten von Faserbeton Beton ohne Fasern bricht unter Zugbeanspruchung beim Erreichen der Zugfestigkeit nahezu schlagartig (Abb , blaue Kurve). Die Tragwirkung von Faserbeton beruht auf dem Ausziehen der Fasern aus dem Zementstein. Das Herausziehen wird durch den Reibverbund der Fasern mit dem Zementstein behindert. Die Reibungskräfte verzehren Energie. Deshalb haben Faserbetone ein hohes Arbeitsvermögen und zeigen ein quasi-zähes, sogenanntes duktiles, Verhalten. Dosierung Faserschlank heit Faserlänge Je höher die Faserdosierung, umso höher ist die Nachrissfestigkeit. Bei gleicher Faserlänge und gleicher Faserdosierung nimmt die Nachriss festig keit mit abnehmendem Faserdurch messer zu. Bei gleichem Verhältnis von Faserlänge zu Faser durchmesser bleibt bei zunehmender Faserlänge die Nachrissfestigkeit bei grösseren Verformungen auf einem höheren Niveau. Das Tragverhalten von Faserbeton wird durch die Nachrissfestigkeit charakterisiert. Im Gegensatz zu Beton ohne Fasern fällt die Zugfestigkeit bei Zug- oder Biegebelastung nach dem Erreichen der Erstrissfestigkeit nicht schlagartig auf Null, sondern auf die Nachrissfestigkeit ab (Abb , rote Kurve). Nach dem Erstriss werden die Fasern, die die Risse überbrücken, aus dem Zementstein gezogen. Der Verlauf der Kraft-Verformungslinie, auch Arbeitslinie genannt, wird nach Überschreiten der Erstrissfestigkeit neben dem Ausziehverhalten der Faser auch vom Fasergehalt stark beeinflusst. Die Nachrissfestigkeit ist in der Regel geringer als die Erstrissfestigkeit des Betons, wenn der Fasergehalt gering bis mittel und kleiner als der sogenannte kritische Fasergehalt ist. Bei sehr hohen Fasergehalten mit einem überkritischen Fasergehalt, z. B. bei Ultrahochleistungsbeton, kann die Nachrissfestigkeit die Festigkeit bei der Bildung des ersten Risses übersteigen. Auf dieses Verhalten wird in Kapitel 7.3 eingegangen. Verbund der Faser im Zementstein Zugfestigkeit des Betons Je besser der Verbund der Faser im Zement stein, umso höher ist die Nachrissfestigkeit solange der Verbund nicht so hoch ist, dass die Faser reisst statt ausge zogen zu werden. Je niedriger die Zugfestigkeit des Betons ist, umso weniger Fasern sind notwendig, um eine hohe Nachrissfestigkeit zu erreichen. Tab : Einfluss der Fasern auf die Nachrissfestigkeit. Mechanische Kennwerte Durch Zugabe von Stahl- und Makrokunststofffasern kann die Druckfestigkeit erhöht, die Zugfestigkeit mehr als verdoppelt und die Schlagfestigkeit sowie die Energieaufnahme um ein Vielfaches erhöht werden, während der E-Modul kaum verändert wird. Abb : Bruchfläche von Stahlfaserbeton. Betonzusammensetzung In Tabelle sind die Betonzusammensetzungen und die wirksame Biegezugfestigkeit f ctf für unterschiedliche Stahlfaserbetone angegeben. Abb : Bodenplatten Stahlfaserbeton. (Quelle: Bekaert (Schweiz) AG). Abb : Kraft-Verformungsdiagramm für Faserbeton und Beton ohne Fasern. Die Einflüsse der Fasern auf die Nachrissfestigkeit sind sehr vielfältig (Tab ). Kraft F Kraft bei Erreichen der Erstrissfestigkeit Beton ohne Fasern Kraft bei Erreichen der Nachrissfestigkeit, abhängig von der Verformung u Faserbeton Verformung u Wirksame Biegezugfestigkeit f ctf In Abbildung sind die Bereiche der wirksamen Biegezugfestigkeit f ctf gemäss SIA 162/6 in Abhängigkeit von der Faserdosierung für Stahlfasern und Makrokunststofffasern dargestellt. Es wird ersichtlich, dass Makrokunststofffasern mit einer Dosierung von ca. 10 kg/m 3 etwa die gleiche wirksame Biegezugfestigkeit wie Stahlfasern mit einer Dosierung von ca. 25 kg/m 3 haben. Im Gegensatz zu Stahfaserbeton können höhere Biegezugwerte mit Makrokunststofffasern auch mit höherer Dosierung nicht erreicht werden. wirksame Biegezugfestigkeit [N/mm 2 ] Makrokunststofffasern Stahlfasern Zement CEM II/B-M (T-LL) (Optimo 4) Dichte [kg/dm 3 ] Stahlfaserbeton, wirksame Biegezugfestigkeit 0.5 N/mm 2 Anteil [M.-%] Menge [kg/m 3 ] Volumen [l/m 3 ] Stahlfaserbeton, wirksame Biegezugfestigkeit 0.7 N/mm 2 Anteil [M.-%] Menge [kg/m 3 ] Volumen [l/m 3 ] Stahlfaserbeton, wirksame Biegezugfestigkeit 0.9 N/mm 2 Anteil [M.-%] Menge [kg/m 3 ] Volumen [l/m 3 ] Zusatzstoff Stahlfaser Gesteinskörnung Sand 0/4 Kies 4/8 Kies 8/ Wasser Luft Zusatzmittel Fliessmittel nach Bedarf Faserdosierung [kg/m 3 ] Abb : Zugfestigkeit f ctf nach SIA 162/6 unterschiedlicher Fasertypen in Abhängigkeit von der Dosierung. Rohdichte und Volumen des Frischbetons w/z-wert Tab : Beispiele für den Mischungsentwurf eines Faserbetons für unterschiedliche wirksame Biegezugfestigkeiten. 174 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 175

89 Kapitel 6 Betone mit besonderer Dauerhaftigkeit 6.1 Wasserdichter Beton Einleitung Normative Anforderungen Betontechnologie Hinweise für das Planen von wasserdichten Bauwerken Frost- und Tausalz beständiger Beton Einleitung Normative Anforderungen Betontechnologie Hinweise für das Planen von Frost- Tausalzbeständigem Beton Chemisch beständiger Beton Einleitung Normative Anforderungen Betontechnologie Hinweise für das Planen von chemisch beständigem Beton AAR-beständiger Beton Einleitung Normative Anforderungen Betontechnologie Hinweise für das Planen von AAR-beständigem Beton 199

90 6. Betone mit besonderer Dauerhaftigkeit 6. Betone mit besonderer Dauerhaftigkeit 6.1 Wasserdichter Beton 6.1 Wasserdichter Beton Einleitung Wassereintritte in Bauwerke sind die häufigsten Schäden, die den Gebäudeversicherungen gemeldet werden. Bauwerke, die Bodenfeuchtigkeit, Sickerwässern oder drückendem Grundwasser ausgesetzt sind, müssen abgedichtet werden. Ein Betonbauteil gilt in der Schweiz als wasserdicht, wenn die eindringende Wassermenge so gering ist, dass das vorgesehene Raumklima auf der Trockenseite genügt, dieses Wasser laufend zu verdunsten. In der Praxis werden unterschiedliche Abdichtungssysteme eingesetzt. Häufig kommt eine sogenannte Weisse Wanne zur Anwendung. Diese wasserdichte Betonkonstruktion besitzt gegenüber anderen Abdichtungssystemen den Vorteil, dass sie neben der tragenden Funktion auch die Abdichtung übernimmt. Es sind keine zusätzlichen Dichtungsbahnen erforderlich, wodurch eine sehr wirtschaftliche Konstruktion möglich ist (Abb ). Das Abdichtungssystem einer wasserdichten Betonkonstruktion besteht nach der Norm SIA 272 aus dem wasserdichten Bauwerk und den zugehörigen Massnahmen, z. B. Abdichtung von Bewegungsfugen und Durchdringungen sowie Injektionen in Rissen, Betonierfugen (Arbeitsfugen) und Sollrissen. Die Begrenzung des Wasserdurchtritts durch ein Betonbauteil ist im Wesentlichen abhängig von: Risse (Rissbreite, -länge und -verlauf) Verdichtungsstörungen (Kiesnester, Betonierfugen) Bewegungsfugen und Durchdringungen Bauteildicke Betonzusammensetzung Druckgefälle Normative Anforderungen Ausschreibung Für wasserdichten Beton gilt die Norm SN EN und für wasserdichte Betonbauten die Normen SIA 262 und SIA 272. Es ist für wasserdichten Beton nach Eigenschaften keine besondere Expositionsklasse definiert. Wird die Eigenschaft wasserdicht bzw. ein erhöhter Wassereindringwiderstand eines Betons gefordert, muss diese als eine zusätzliche Anforderung in der Ausschreibung festgelegt werden. Die Zuordnung der Expositionsklassen in Bezug auf die zu erwartende Wasserdichtigkeit ist in Tabelle dargestellt. Unter bestimmten Bedingungen sind zusätzliche Abklärungen und/oder Nachweise erforderlich. Dies gilt für höhere Anforderungen an die Dichtigkeit, bei Bauteildicken von 250 mm oder drückendem Wasser über 10 m Wassersäule. Expositionsklasse (CH) Eigenschaft Betonsorte XC1, XC2 nicht wasserdicht A XC3 XC4, XD, XF wasserdicht nur mit Nachweis (Prüfung der Wasserleitfähigkeit) wasserdicht ohne Nachweis bis 10 m Wassersäule B C bis G P2 und P4 Tab : Zusammenhang von Expositionsklassen und Wasserdichtigkeit des Betons nach der Norm SN EN Nachweis In der Schweiz werden zwei Prüfungen verwendet, um die Wasserdichtigkeit eines Betons nachzuweisen: Wasserleitfähigkeit gemäss der Norm SIA 262/1, Anhang A Wassereindringtiefe unter Druck gemäss der Norm SN EN Für wasserdichte Betonkonstruktionen gemäss der Norm SIA 272 und für Spritzbeton gemäss der Norm SN EN erfolgt der Nachweis des Wassereindringwiderstandes nach der Norm SN EN Für Spritzbeton kann alternativ auch die Prüfung der Wasserleitfähigkeit nach der Norm SIA 262/1 verwendet werden. In Tabelle sind die Details zu den Prüfungen der Wasserleitfähigkeit und der Wassereindringtiefe unter Druck sowie die dazugehörigen Grenzwerte aufgeführt. Eine signifikante Korrelation zwischen den Prüfver - fahren besteht nicht, da mit unterschiedlichen Prüfbedingungen Druck und Sättigung gearbeitet wird. Prüfserie Prüffläche Nachbehandlung Wasserleitfähigkeit nach Norm SIA 262/1, Anhang A 5 Bohrkerne h = 50±2 mm; d = 50±2 mm (Bohrkerne aus Probekörpern oder Bauteil entnommen) geschalt, seitlich, (äussere geschalte Schicht ca. 5 mm, max. 10 mm abgeschnitten) 16 h < 3 Tage in der Form bis Prüfdatum unter Wasser (20±2 C) oder in Feuchtkammer (> 95 %) Betontechnologie Zement Für übliche Anwendungen können alle zulässigen Zemente nach der Norm SN EN verwendet werden. Erst ab Bauteildicken von mehr als 50 cm kommt der Hydrata tionswärmeentwicklung im Beton und der damit ver bundenen Zwangsbeanspruchung aus abfliessender Hydratationswärme Bedeutung zu. Geeignete Massnahmen zur Dämpfung der Hydratationswärmeentwicklung, wie z. B. die Verwendung eines Zementes mit niedriger Hydratationswärme, sind im Kapitel 8.4 aufgeführt. Gesteinskörnung Die Gesteinskörnung hat mit wenigen Ausnahmen (poröse oder rezyklierte Gesteinskörnung) keinen Einfluss auf die Dichtigkeit des Betons. Eine stetige Korngrössenverteilung und ein ausreichend hoher Mehlkorngehalt sind für eine gute Verarbeitbarkeit einzuhalten (siehe Kapitel 1.3). Prüfverfahren Wassereindringtiefe unter Druck nach Norm SN EN Würfel, Zylinder oder Prismen ( ) mm 3 Prüffläche mind. 150 mm Kantenlänge bzw. d 150 mm geschalt, seitlich Prüfrichtung einseitig einseitig Prüfmedium Wasser Wasser 16 h < 3 Tage in der Form bis Prüfdatum unter Wasser (20±2 C) Druck keine Druckbeaufschlagung 500 ±50 kpa 5 bar Sättigung teilweise wassergesättigt wassergesättigt Tab : Überblick über die wichtigsten Prüfverfahren zur Wasserdichtigkeit von Beton. Abb : Prinzipskizze einer weissen Wanne im Grundwasser. weisse Wanne Oberkante Gelände höchster Wasserstand Prüfbeginn nach 28 Tagen nach 28 Tagen Dauer 17 Tage 72 ±2 Stunden Prüfkriterium Wasseraufnahme und Steighöhe infolge kapillarem Saugen Wassereindringtiefe unter Druck Grundwasser Grenzwert für Konformitätsprüfung q w 10 g/m 2 h e w 50 mm Bewertung des Prüfverfahrens Die Prüfung der Wassereindringtiefe unter Druck stellt das schärfere Prüfverfahren dar. 178 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 179

91 6. Betone mit besonderer Dauerhaftigkeit 6.1 Wasserdichter Beton w/z-wert Das Eindringen von Wasser in den Beton wird massgebend vom w/z-wert bestimmt. Das gilt sowohl für drückendes als auch für nichtdrückendes Wasser. Ab einem w/z-wert 0.50 kann sowohl eine geringe Wasserleit fähigkeit als auch eine geringe Wassereindringtiefe erwartet werden. Einbau und Verdichten Kiesnester und Bluten sind bei wasserdichten Bauteilen unbedingt zu vermeiden (siehe Kapitel 8.2). Dazu sind neben einer geeigneten Betonzusammensetzung und Konsistenz auch beim Einbau besondere Massnahmen erforderlich. Kiesnester und Entmischungen beim kritischen Wand-Boden- und Wand-Deckenanschluss können durch folgende Massnahmen vermieden werden: Vorlagenbeton mit D max = 16 mm; 1 Schüttlage mit mindestens 30 cm geringe Fallhöhen beim Einbau (< 1 m) oder Verwendung einer Führung für den Beton Begrenzung der Schüttlagen auf maximal 50 bis 75 cm ausreichende Verdichtung, ggf. Nachverdichten der obersten Betonierlage Nachbehandlung Der Nachbehandlung kommt beim wasserdichten Beton eine hohe Bedeutung zu, weil sie die Ausbildung einer Betonoberfläche in der geplanten Qualität erlaubt und wesentlich zur Vermeidung von Frühschwindrissen beiträgt. Entsprechend den erhöhten Anforderungen wird die Festlegung einer Nachbehandlungsklasse NBK 3 empfohlen (siehe Kapitel 3.6) Hinweise für das Planen von wasserdichten Bauwerken Weisse Wanne Die Funktion einer Weissen Wanne erfordert ausser wasserundurchlässigem Beton mit einer Betondicke 25 cm auch den Einbau von Fugendichtungen, Betonierund Bewegungsfugen sowie die Begrenzung der Rissbreite des Stahlbetons. Je nach Wasserdruck und Dichtigkeitsklasse wird eine maximale Rissbreite festgelegt, die durch entsprechende Erhöhung und Abstimmung der Betonstahlbewehrung auf die Bauteilgeometrie erreicht werden kann. Als Fugendichtung werden je nach Fugenart (Betonierfuge, Bewegungsfuge) einbetonierte und aufgeklebte Fugenbänder, Quellbänder oder Verpressschläuche eingesetzt (Abb ). Bewegungsfugen Fugenbänder einbetoniert Fugenbänder aufgeklebt Durchdringungen Kanalisationsrohre Stahlteile/-profile Rohrdurchführungen/Rohreinführungen Bindstellen Fugenbänder aufgeklebt Baukleber Dichtungsprofile WD-Bindestellen Betonierfugen (Arbeitsfugen) Fugenbänder einbetoniert Fugenbänder aufgeklebt Injektionsschläuche Quellfugenbänder Aus bauphysikalischen Überlegungen sollte die verdampfbare Wassermenge kleiner als 10 g/m 2 h sein. Anforde - rungen an die Trockenheit eines Bauwerkes oder einzelner Bauteile werden nach der Norm SIA 272 mittels einer Dichtigkeitsklasse beschrieben. In Tabelle sind die Dichtigkeitsklassen und typische Beispiele aufgeführt. Wesentliche Elemente der Planung wasserdichter Betonkonstruktionen sind: Mindestbauteildicken 25 cm Festlegung der Dichtigkeitsklasse Wahl einer geeigneten Betonsorte Wahl von Bauteilabmessungen und Bewehrungsführung, die den planmässigen Einbau von Fugendichtungen und einen fehlstellenfreien Betoneinbau ermöglichen Planung sämtlicher Fugen und Durchdringungen unter Berücksichtigung dauerhafter Dichtigkeit und fehlstellenfreier Ausführbarkeit Planung bauphysikalisch notwendiger Massnahmen, z. B. in bewohnten, beheizten Kellerräumen Planung von Bauablauf, Betonierabschnitten, Arbeitsfugen Vermeidung von Rissen, Begrenzung der Rissbreite, dauerhafte Abdichtung von Rissen Berücksichtigung betonaggressiver Wässer und Böden (Kapitel 6.3) und Beurteilung des Risikos gegenüber Alkali-Aggregat-Reaktion (Kapitel 6.4) Zusätzliche Massnahmen Wasserdichte Betonkonstruktionen erfordern eine gute Planung und sorgfältige Ausführung der Details (Abb ). Nachfolgend sind Hinweise für zusätzliche Massnahmen aufgeführt: durchgehende Sauberkeitsschicht Trennlage, Verminderung von Zwängungen (einfache Geometrie) Betonieretappen maximal 600 m 2 Seitenverhältnis im Idealfall 1 : 1, nicht grösser als 1 : 3 Oberflächenentwässerung mit Gefälle 1.5 % Mindestbewehrung zur Begrenzung der Rissbreite Abdichtung von Fugen (Arbeits- und Bewegungsfugen), Durchdringungen und Bindstellen sichere Befestigung von Fugenbändern, Quellbändern oder Verpressschläuchen Wasserdichter Beton verhindert zwar den Durchtritt von flüssigem Wasser, allerdings nicht die Diffusion von Wasserdampf. Um eine Kondenswasserbildung an kalten Aussenwänden und unbeheizten Räumen zu verhindern, muss der eindringende Wasserdampf durch ausreichenden Luftaustausch abgeführt oder andere Massnahmen durchgeführt werden. Abb : Details für wasserdichte Betonkonstruktionen. (Quelle: Rascor AG, Steinmaur). Tab : Dichtigkeitsklassen und typische Beispiele nach der Norm SIA 272. Klasse Beschreibung Typische Beispiele 1 vollständig trocken Keine Feuchtstellen an den trockenseitigen Bauwerksoberflächen zugelassen. Wohn- und Arbeitsräume, Archive, Lagerhallen für empfindliche Güter wie z. B. Papier, Computer Hinweis: gilt auch nur in Teilbereichen eines Gebäudes Aufgeklebtes Fugenband Injektionsschlauch 2 trocken bis leicht feucht Einzelne Feuchtstellen zugelassen. Kein tropfendes Wasser an den trockenseitigen Bauwerksoberflächen zugelassen. Lagerhallen für Güter, welche nicht feuchteempfindlich sind, wie z. B. Kunst stoffteile, Gläser, usw.; Heizungs- und Kellerräume 3 feucht Örtlich begrenzte Feuchtstellen und einzelne Tropfstellen an den trockenseitigen Bau werks oberflächen zugelassen. Räume von untergeordneter Nutzung, Wände von Tiefgaragen Hinweis: Für Decken gilt Dichtigkeitsklasse 1 oder 2 4 feucht bis nass Feucht- und Tropfstellen zugelassen. Räume von untergeordneter Nutzung, Wände von Einstellhallen Hinweis: Für Decken gilt Dichtigkeitsklasse 1 oder 2 Einbetoniertes Fugenband Quellband 180 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 181

92 6. Betone mit besonderer Dauerhaftigkeit 6. Betone mit besonderer Dauerhaftigkeit 6.2 Frost- und Tausalz beständiger Beton Anforderungen Expositionsklasse (CH) 6.2 Frost- und Tausalz beständiger Beton Einleitung Frost- und Tausalzbeständiger Beton ist gegenüber einem Frostangriff mit und ohne Taumittel widerstandsfähig. Frost- und Tausalzeinwirkungen (FT) führen bei qualitativ ungenügenden Betonen innerhalb weniger Jahre zu Schäden, welche die Gebrauchstauglichkeit und Dauerhaftigkeit des Bauwerkes signifikant beeinträchtigen. Verschiedene Faktoren, wie die Betonzusammensetzung, die Betonverarbeitung und die Expositionsbedingungen bestimmen die Frosttausalzbeständigkeit eines Betonbauteils. Weitere Informationen zu Schäden durch Frostangriff mit und ohne Tausalz werden in Kapitel 8.5 gegeben. Sorte D (T1) XC4 XD1 XF2 (XF3) Sorte E (T2) XC4 XD1 XF4 Bezeichnung Sorte F (T3) XC4 XD3 XF2 Sorte G (T4) XC4 XD3 XF4 maximaler w/z-wert [-] Mindestzementgehalt [kg/m 3 ] FT-Widerstand mittel hoch mittel hoch weitere Anforderungen Anforderungen an die Gesteinskörnung SN EN Tab : Anforderungen an die Betonzusammensetzung für die Betonsorten gemäss der Norm SN EN mit einem Grösstkorn der Gesteinskörnung von 32 mm Normative Anforderungen Ausschreibung In den Normen SIA 262 und SN EN wird eine Klassifizierung aufgrund der Belastungsart mit und ohne Taumittel und der Intensität der Frosteinwirkung infolge unterschiedlicher Feuchtigkeitsgehalten mässig und hoch in entsprechende Expositionsklassen XF (Freezing) vorgenommen. Dabei steigt mit der Taumitteleinwirkung und dem zunehmenden Feuchtigkeitsgehalt der Angriffsgrad der Expositionsklassen XF1 nach XF4 an. Für die Ausschreibung üblicher Betonsorten sind in der Norm SN EN die Tiefbaubetone T1 bis T4 definiert, welche den Betonsorten D bis G entsprechen. Für die Betonsorten D und F ist als zusätzliche Anforderung für die Expositionsklasse XF2 ein mittlerer und für die Betonsorten E und G für die Expositionsklasse XF4 ein hoher Frost-Tausalzwiderstand (FT) festgelegt. Für die Expositionsklasse XF1 sind keine zusätzlichen Anforderungen bezüglich Frost-Tausalzwiderstand festgelegt. Die Betonsorte D deckt auch die Anforderungen der Expositionsklasse XF3 ab (Tab ). Die Anforderungen an die Betonzusammensetzung für die üblichen Betonsorten sind in Tabelle aufgeführt. Die Beurteilung der Frostbeständigkeit von Gesteinskörnungen erfolgt in der Schweiz anhand der petrographischen Analyse nach der Norm SN mit einer Bestimmung von ungeeigneten Gesteinskörnungen für Beton und Mörtel. Die Anforderungen für die zulässige Höchstmenge an ungeeigneten Anteilen in Gesteinskörnungen sind in Tabelle aufgeführt. Beim k-wert sind die speziellen Regelungen insbesondere bei den Expositionsklassen XF2 und XF4 für die Kombination von Zementen mit Hydrolith F200 zu beachten (siehe Kapitel 1.5.2). Ein bewährtes Mittel zur Erhöhung des Frost-Tausalzwiderstandes von Beton ist die Einführung von künstlichen Mikroluftporen in den Beton. Der erforderliche Luftgehalt für Beton mit mittlerem und hohem Frost-Tausalzwiderstand wird vom Hersteller des Betons festgelegt. Der Mindestwert für den Luftgehalt ist dem Verwender des Betons auf Nachfrage mitzuteilen. Es ist zu beachten, dass für Betondecken für Verkehrsflächen gemäss Norm SN b ein Beton mit D max = 32 mm ein Luftgehalt von mindestens 3.0 Vol.-% an der Einbaustelle vorgeschrieben ist. Für Beton mit D max = 16 mm beträgt der Luftporengehalt mind. 3.5 Vol.-% (siehe Kapitel 7.5). Nachweis Zur Beurteilung des Frost-Tausalzwiderstandes ist als Referenzprüfverfahren die Prüfung gemäss der Norm SIA 262/1, Anhang C festgelegt. Die Prüfung ist zur Beurteilung des Frost-Tausalzwiderstandes von Betonen mit einem Luftgehalt grösser 2 Vol.-%, d. h. für sogenannte Luftporen betone, geeignet. Für Betone mit einem Luftge halt < 2 Vol.-% sind sehr starke Streuungen in der Ablösemenge festzustellen. Daher ist für Betone mit geringen Luftgehalten, wie beispielsweise hochfeste Betone oder Faserbetone, diese Prüfung nicht bzw. nur bedingt geeignet (Abb ). Andere Prüfverfahren mit entsprechenden Grenzwerten können vom Projektverfasser definiert werden. Mit der TFB-Methode kann auch die Beurteilung der inneren Schädigung des Betons infolge eines Frost-Tausalzangriffs beurteilt werden. Alle aufgeführten Betone in Abbildung auch jene mit einem Luftgehalt 2 Vol.-% haben die Anforderungen der TFB-Methode erfüllt. Der Frost-Tausalzwiderstand eines Luftporenbetons muss bei der Erstprüfung nachgewiesen und im Laufe der Herstellung überprüft werden. Bei der Verwendung eines Luftporenmittels ist es sinnvoll, dessen Wirkung anhand des Luftgehaltes des Frischbetons (Luftgehalt nach SN EN , siehe Kapitel 3.3.3) und/oder des Fest betons (Porenkennwerte gemäss der Norm SIA 262/1, Prüfung K) zu überprüfen. Die Norm SN Betondecken: Prüfmethode zum Bestimmen des Frost- und Frosttaumittelwiderstandes beschreibt ein zweistufiges Verfahren, das unter der Bezeichnung BE I diagnostische Bestimmung der Frost- Tausalzbeständigkeit mittels Porenkennwerte und BE II physikalische Prüfung des Frost-Tausalzwiderstandes schon seit 1977 in der Schweiz durchgeführt wird. Für Spritzbeton nach Norm SN EN : Spritz - beton Teil 1: Begriffe, Festlegungen und Konformität werden das SIA-Verfahren als Referenzmethode und die Methoden BE I und BE II als zusätzliche bzw. alternative Prüf verfahren definiert. Die Prüfung des Frost-Tausalz widerstandes nach BE I stellt dabei ein indirektes Prüfverfahren dar, welches die Gefügemerkmale und die Porenkennwerte eines Betons berücksichtigt. In Tabelle sind die wichtigsten direkten physikalischen Prüfungen des Frost-Tausalzwiderstandes zusammengestellt. Eine Korrelation zwischen den Prüfverfahren besteht nicht, da mit unterschiedlichen Prüfbedingungen Prüffläche, Prüfmedium/Sättigung, Temperaturzyklen und Prüfkriterien gearbeitet wird. Massenverlust [g/m 2 ] Grenzwert mittel Grenzwert hoch Luftgehalt [Vol.-%] Abb : Masseverlust bei Frost-Tausalzversuchen gemäss SIA 262/1, Anhang C, an normkonform hergestellten Betonen mit unterschiedlichen Luftgehalten. Grenzwerte für einen hohen und einen mittleren Frost-Tausalz-Widerstand siehe Tab Abb : Mikroskopische Anschliffaufnahme im UV-Licht: Beton mit (oben) und ohne (unten) künstlich eingeführten Luftporen (Vergrösserung ca. 5x). 182 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 183

93 6. Betone mit besonderer Dauerhaftigkeit 6.2 Frost- und Tausalz beständiger Beton Prüfverfahren SIA 262/1, Anhang C TFB-Methode BE II Prüfserie 3 Platten l 145 mm und h = 50 ±5 mm oder 4 Bohrkerne d 95 mm und h = 50 ±5 mm 2 Bohrkerne h = 70 und 90 mm; d = 50 mm 6 Prismen l mm Prüffläche geschalt, seitlich vollflächig vollflächig Prüfmedium/Sättigung einseitige Beaufschlagung mit 3%iger NaCl-Lösung nach Wasserdruckimprägnierung Lagerung in 35%iger CaCl 2 -Lösung allseitig eingetaucht in CaCl 2 -Lösung mit 33 Baumé- Dichte bei 20 C Betontechnologie Zement Alle für die Expositionsklasse XF jeweils zugelassenen Zemente nach der Norm SN EN können für die Herstellung eines frost-tausalzbeständigen Betons eingesetzt werden. Es wird empfohlen, bei Zementen mit langsamer Festigkeitsentwicklung den Beginn der Frost- Tausalzprüfung in Absprache mit dem Projektverfasser auf einen späteren Zeitpunkt als 28 Tage festzulegen. Faustregel Jedes Volumenprozent Luftporen führt zu einem Druckfestigkeitsverlust von 3 bis 5 N/mm 2. 1 Volumenprozent zusätzlich eingeführter Luftporen ermöglicht eine Wassereinsparung von etwa 5 Litern je m 3 Frischbeton und erzielt im Hinblick auf die Ver arbeitbarkeit die gleiche Wirkung wie etwa 10 bis 15 kg Mehlkorn. T min / T max 15 C / +15 C 25 C / +20 C 20 C / +20 C Abkühl-/ Auftaugeschwindigkeit 90 ±5 min von +15 C auf 15 C 20 K/h 60 ±5 min von 15 C auf +15 C 30 K/h Die Bestimmung der Wirksamkeit der Luftporen am Festbeton wird mittels einer mikroskopischen Bildanalyse nach SN EN (Abstandsfaktor L, Luftgehalt A 300, Gesamtluftgehalt A) durchgeführt. Dazu werden aus Festbetonproben Anschliffe hergestellt. Beispiele mit und ohne künstlich eingeführte Luftporen im Beton sind in Abbildung dargestellt. Der Abstandsfaktor (L), welcher anhand eines rechnerischen Modelles die grösste Entfernung eines beliebigen Punktes innerhalb des Zementsteines vom Rand der nächsten Luftpore angibt, ist eine wichtige Kenngrösse (Abb ). Er stellt somit den längsten Weg dar, den das Wasser in den Kapillaren bis zum Rand der nächsten Luftpore beim Ausweichen zurücklegen muss. Je kürzer der Weg ist, desto günstiger ist dies für den Frost-Tausalzwiderstand des Betons. Der Abstandsfaktor sollte nicht grösser als 0.20 mm sein. Der Gehalt an Mikroluftporen mit einem Durchmesser < 300 µm (A 300 ), sollte für einen frost-tausalzbeständigen Beton grösser als 1.5 Vol.-% sein. 120 min bei 25 C in Salzlösung 60 min bei +20 C im Wasserbad Prüfbeginn nach 28 Tagen nach 28 Tagen nach 28 Tagen Dauer/ Anzahl Zyklen Prüfkriterium Beurteilung FT-Beständigkeit Bewertung des Prüfverfahrens 12 Stunden/ 28 Frost-Tau-Zyklen Oberflächenschädigung ermittelt durch Abwitterung der Prüffläche (Masseverlust) Grenzwert (Mittelwert) Prüfungsart Labor mittel: m g/m 2 hoch: m oder m g/m 2 und m 28 ( m 6 + m 14 ) 3 Stunden/ 10 Frost-Tau-Zyklen Gefügeschäden durch Mikroskopie Qualitativ, nach Art/Anzahl der Gefügeschäden: schlecht ungenügend genügend gut hoch Die Schärfe der Prüfverfahren nimmt in folgender Reihenfolge zu: SIA 262/1, Anhang C Methode TFB BE II Tab : Überblick der wichtigsten direkten physikalischen Prüfverfahren zum Frost- Tausalzwiderstand von Beton. Luftporen 19 min bei 20 C in Salzlösung 9 min auf +20 C im Wasserbad 24 ±3 Stunden/ 400 Frost-Tau-Zyklen Widerstandsfaktor aus E-Modul abfall und Längenänderung nach n Frost-Tausalz- Zyklen Widerstandsfaktor tief: WFT-L < 50 % mittel: WFT-L = % hoch: WFT-L > 80 % Gesteinskorn Zementstein Abb : Schematische Darstellung der Luftporenverteilung im Zementstein (L = Abstandsfaktor). L Zugabewasser Für Luftporenbetone sollte Restwasser nicht verwendet werden, da die Feinststoffe und Restmengen verschiedener Zusatzmittel die Bildung der künstlichen Luftporen behindern können. Gesteinskörnung Verschmutzte Gesteinskörner wie auch ein zu hoher Gehalt an Mehlkorn- und Feinstsand können den Frost-Tausalzwiderstand beeinträchtigen. Die Kornzusammensetzung sollte so gewählt werden, dass es weder zum Bluten des Betons noch zu Feinmörtelanreicherungen im oberflächennahen Bereich kommt. Auch in einer geeigneten Gesteinskörnung können vereinzelte ungeeignete Gesteinskörner enthalten sein (bis 5 M.-%), die, falls sie sich direkt an der bewitterten Betonoberfläche befinden und einer Frosteinwirkung ausgesetzt sind, zu kraterförmigen Abplatzungen, den sogenannten pop-outs, führen. Die kraterförmigen Abplatzungen entstehen infolge der Volumenvergrösserung der gefrorenen Gesteinskörnern (siehe Kapitel 8.5). Zusatzmittel Mit Hilfe von Luftporenbildner werden künstlich kleine, fein verteilte, kugelförmige Mikroluftporen in den Beton eingeführt (siehe auch Kapitel 1.4). Die positive Wirkung dieser eingeführten Luftporen ist vor allem darauf zurückzuführen, dass dem gefrierenden Wasser im Beton Expansionsraum zur Verfügung gestellt wird. Das Kapillarporensystem des Zementsteins wird unterbrochen und damit die Wasseraufnahme des Betons verringert. Die Wirksamkeit dieser Massnahme hängt wesentlich von Gehalt, Grösse und der Verteilung der Luftporen ab. Der Gesamtluftgehalt sollte zwischen 3 5 Vol.-% liegen. Beim Mischungsentwurf ist zu berücksichtigen, dass die Luftporen zu einer Verringerung der Betondruckfestigkeit führen. Bei hüttensandhaltigen Zementen (z. B. CEM III/A) kann die Luftporenbildung im Beton mit Luftporenbildnern erschwert sein. Die Herstellung und Verarbeitung von Beton mit künstlichen Luftporen ist sehr anspruchsvoll und wird von vielen Faktoren beeinflusst. Beispielhaft wird in Tabelle der Einfluss der Gesteinskörnung auf den Luftgehalt im Frischbeton dargestellt. Andere Einflüsse sind in Tabelle aufgeführt. Bei Betonen mit hohen Dosierungen von Fliessmitteln sowie in Verbindung mit Schwindreduktionsmitteln kann der Luftporeneintrag erschwert sein. Der Luftgehalt sollte unmittelbar am Ort des Einbaus auf der Baustelle nach dem Pumpen bestimmt werden. Zusatzstoffe Die Wirksamkeit von Luftporenbildnern kann durch die Verwendung von Zusatzstoffen, z. B. Flugasche oder Hüttensand, vermindert werden. Bei der Verwendung von Flugaschen mit einem erhöhten Glühverlust können die Luftporenbildner nicht ihre volle Wirkung entfalten. Hüttensand kann aufgrund seiner Struktur (Oberfläche, Rauhigkeit) die eingebrachten Luftporen teilweise wieder zerstören. w/z-wert Der Frost-Tausalzwiderstand wird mit zunehmendem w/z-wert verringert. Der w/z-wert für einen Beton mit mittlerem Frost-Tausalzwiderstand sollte nicht grösser als 0.50 und für einen Beton mit hohem Frost-Tausalzwiderstand nicht grösser als 0.45 sein (Tab ). Falls auf den Einsatz eines Luftporenbildners verzichtet wird, sind auch noch tiefere w/z-werte um 0.40 anzustreben, um einen ausreichend hohen Frost-Tausalzwiderstand zu erreichen. Gesteinskörnung Korndurchmesser mm Kornform rund gebrochen Einfluss auf Luftporenbildung hemmt fördert hemmt Tab : Einfluss der Gesteinskörnung auf den Luftporengehalt im Frischbeton. 184 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 185

94 6. Betone mit besonderer Dauerhaftigkeit 6.2 Frost- und Tausalz beständiger Beton Konsistenz Erdfeuchte Betone mit einem w/z-wert < 0.40 können auch ohne künstliche Luftporen einen ausreichend hohen Frost-Tausalzwiderstand aufweisen, wenn ein grosses Volumen an Verdichtungsporen den Expansionsraum für das gefrorene Wasser bildet. 6.3 Chemisch beständiger Beton Die Bildung und Stabilität der Luftporen ist abhängig von der gewählten Konsistenz. Je weicher der Luftporenbeton ist, desto schwieriger ist das Einbringen von Luftporen. Einflussgrösse Mischzeit Mischintensität Transportzeit Mischen Transport Verdichtung Von der Herstellung bis zur Verdichtung sind bei Luftporenbetonen eine Reihe von Einflussgrössen zu berücksichtigen (siehe Tabelle 6.2.4). Vor der Entleerung eines Fahrmischers auf der Baustelle sollte Luftporenbeton nochmals mindestens 5 Minuten durchgemischt werden. Nachbehandlung Die Nachbehandlung wird in Norm SIA 262 durch die Nachbehandlungsklassen (NBK) 1 bis 4 beschrieben (siehe Kapitel 3.6). Es wird empfohlen, für Betone der Expositionsklassen XF2 und XF3 erhöhte Anforderungen (NBK 3) und für Betone der Expositionsklasse XF4 hohe Anforderungen (NBK 4) zu wählen Hinweise für das Planen von Frost- Tausalzbeständigem Beton Taumittel Das häufigste in der Schweiz eingesetzte Taumittel ist Natriumchlorid (NaCl). Daneben werden im Strassenwinterdienst Calciumchlorid (CaCl 2 ) und Magnesiumchlorid (MgCl 2 ) und deren Mischungen eingesetzt. Auf Flughäfen werden keine chloridhaltigen Taumittel verwendet. Hier kommen vor allem Harnstoff, Glykole, Alkohole und Acetate zum Einsatz. Je nach Art des Taumittels ist der Wirkung 45 Sekunden: ungenügende Luftporenbildung 90 Sekunden: optimale Luftporenbildung > 120 Sekunden: Zerstörung der Luftporen hoch: fördert die Luftbildung lang: reduziert den Luftgehalt Abb : Streufahrzeug im Winterdienst. Beanspruchungsgrad des Betons höher und es können schädigende Nebenwirkungen, wie z. B. AAR oder Chloridkorrosion, im Beton auftreten (siehe Kapitel und Kapitel 6.4). Zusätzliche Massnahmen Zusätzliche Massnahmen haben das Ziel, die Durchfeuchtung und den Chlorideintrag zu verringern oder vollständig zu verhindern. Je nach Intensität des Angriffs können die folgenden Massnahmen einzeln oder in Kombination eingesetzt werden: Einbau eines Drainage- und/oder Abdichtungssystems Entwässerung von horizontalen Bauteilen durch ausreichendes Gefälle 1.5 % (siehe Kapitel 6.1.4) Vermeidung der Rissbildung bzw. Begrenzung der Rissbreiten Aufbringen eines Oberflächenschutzsystems z. B. Hydrophobierung Prüfverfahren Es gibt eine Vielzahl von Frost-Tausalz-Prüfungen in der Schweiz. Laborprüfverfahren sollen im Zeitraffer den Frost-Tau salzwiderstand eines Baustoffes über dessen Nutzungsdauer abbilden. Die zeitliche Verkürzung im Labor bedingt, dass die Prüfbedingungen im Labor gegenüber den Verhält nissen in der Praxis i. d. R. deutlich verschärft wird. So werden in der Prüfung sehr hohe Feuchtigkeits gehalte, bis über die vollständige kapillare Sättigung, im Prüfk örper erzeugt, die im Bauwerk praktisch nicht erreicht werden. Dies sollte bei der Interpretation der Ergebnisse und bei der Wahl des Frost-Tausalz- Prüfverfahrens berücksichtigt werden Einleitung Betone können sowohl in natürlichen als auch in industriellen Umgebungen schädlichen, chemischen Einflüssen ausgesetzt sein. Bei chemischem Angriff auf Beton wird allgemein zwischen lösendem und treibendem Angriff unterschieden. In diesem Kapitel wird unter treibendem Angriff nur der Sulfatwiderstand detailliert behandelt. Der Widerstand gegenüber der treibenden Alkali-Aggregat-Reaktion wird in Kapitel 6.4 beschrieben. Der Zementstein ist in der Regel chemisch weniger beständig als die deutlich dichtere Gesteinskörnung. Allgemein kann die chemische Beständigkeit des Betons mit betontechnologischen Massnahmen, vor allem mit einer hohen Dichtigkeit und der Wahl eines geeigneten Zementes verbessert werden. Weitere Information zu Schäden durch treibenden und lösenden Angriff werden in den Kapiteln 8.6 bis 8.8 gegeben. Chemisches Merkmal Referenzprüfverfahren XA1 XA2 XA3 Grundwasser SO 4 2 mg/l SN EN und 600 > 600 und 3000 > 3000 und 6000 ph-wert ISO und 5.5 < 5.5 und 4.5 < 4.5 und 4.0 CO 2 mg/l angreifend Normative Anforderungen Allgemeines In der Norm SN EN wird eine Klassifizierung aufgrund des chemischen Angriffsgrades in drei Expositionsklassen XA (Acid) vorgenommen: XA1: chemisch schwach angreifende Umgebung XA2: chemisch mässig angreifende Umgebung XA3: chemisch stark angreifende Umgebung Bei Verdacht auf aggressive Stoffe ist eine Beurteilung der betonangreifenden Wässer, Böden und Gase mit Hilfe von chemischen Analysen erforderlich. Der Angriffsgrad von Grundwasser und Böden vorwiegend natürlicher Zusammensetzung wird in der Norm SN EN nach Grenzwerten beurteilt (Tab ). Sie gelten für stehendes und schwach fliessendes sowie in grossen Mengen vorhandenes, unmittelbar angreifendes Wasser und für Umgebungstemperaturen zwischen 5 C und 25 C. Dabei wird von einer Schädigung in einer natürlichen Umgebung mit hydrostatischen Bedingungen ausgegangen. SN EN und 40 > 40 und 100 > 100 bis zur Sättigung NH 4 + mg/l ISO und 30 > 30 und 60 > 60 und 100 Tab : Grenzwerte für die Expositionsklassen bei chemischem Angriff durch natürliche Böden und Grundwasser nach Norm SN EN Pumpen Temperatur kann den Luftgehalt signifikant verändern höhere Frischbetontemperatur: hemmt die Luftporenbildung Mg 2+ mg/l SN EN ISO und 1000 > 1000 und 3000 > 3000 bis zur Sättigung Boden Verdichtungsart Innenrüttler: zerstören teilweise die Luftporen Verdichtungsdauer lang: reduziert den Luftgehalt Tab : Einflussgrössen aus Mischen, Transport und Verdichtung und deren Auswirkungen auf Luftporenbetone. SO 4 2 mg/kg insgesamt SN EN und 3000 > 3000 und > und Säuregrad pren > 200 Baumann-Gully in der Praxis nicht anzutreffen 186 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 187

95 6. Betone mit besonderer Dauerhaftigkeit 6.3 Chemisch beständiger Beton 6. Betone mit besonderer Dauerhaftigkeit 6.3 Chemisch beständiger Beton Abb : In den Voralpen vorkommendes sulfathaltiges Wasser. Der höchste Wert für jedes einzelne chemische Merk mal in Tabelle bestimmt die Expositionsklasse. Wenn zwei oder mehrere chemische Merkmale zu derselben Expositionsklasse führen, muss der nächsthöhere Angriffsgrad gewählt werden, sofern Fachleute nicht ein anderes Vorgehen vorschlagen. Bei Grundwässern kann aufgrund der geologischen Situation die betonschädigende Wirkung abgeschätzt werden (kalklösende Kohlensäure, Härtegrad). Schmelzwasser, Regenwasser und Oberflächengewässer sind normalerweise weiche Wässer. Grundwasser kann in der Nähe von Kohle- und Schlackehalden oder in Tonböden Sulfate enthalten. Durch Oxidation von Pyrit entstehen u. a. Schwefelverbindungen. Freie Säuren sind in der Natur, abgesehen von der Kohlensäure, selten zu finden. Kohlensaures Wasser kann als Quellwasser auftreten, aber auch durch Gärprozesse von tierischen und pflanzlichen Stoffen in Faulwasser ent stehen. In Moor- und Sumpfgebieten können durch Oxidation des Schwefelwasserstoffs saure Grundwasser entstehen, wenn Kalk zur Neutralisation im Boden fehlt. Dagegen können Industrieabwässer spezifische Säuren (z. B. Milchsäuren) oder Salze (z. B. Sulfate) enthalten. Die chemische Beständigkeit von Beton nach Eigenschaften wird in der Norm SN EN durch Mindestanforderungen an die Betonzusammensetzung geregelt und insbesondere durch den maximalen w/z-wert bestimmt (Tab ). Für die Expositionsklasse XA3 oder bei Sulfatangriff auf Betonpfähle und Schlitzwände sind Fachleute beizuziehen (siehe Kapitel 7.4). Für Beton von Biologiebecken in kommunalen Abwasserreinigungsanlagen gelten die Mindestanforderungen der Betonsorte F (T3) und die im cemsuisse Merkblatt Nr. 1 definierte Expo sitionsklasse XAA. Für Betonpfähle und Schlitzwände der Kategorie P1, d. h. im Trocknen, ist ein Sulfatangriff nicht anzusetzen. Bei der Festlegung einer Expositionsklasse XA aufgrund eines Sulfatangriffs sind Zemente mit hohem Sulfatwiderstand gemäss der Norm SN EN zu verwenden (siehe Kapitel 1.1.4). Die Sulfatbeständigkeit des Betons ist bei der Verwendung von sulfatbeständigen Zementen nicht nachzuweisen. Werden objektspezifisch keine sulfatbeständigen Zemente gemäss der Norm SN EN verwendet, sondern andere Zemente oder Zement- Zusatzstoffkombinationen gewählt, müssen folgende Bedingungen erfüllt sein: Es dürfen nur Zemente, die für den Tiefbau frei gegeben sind, verwendet werden. Der Nachweis der Sulfatbeständigkeit des Betons muss mit der Prüfung gemäss Anhang D der Norm SIA 262/1 erbracht werden. Die Ausdehnung l S darf den Grenzwert von 1.2 nicht überschreiten. Der Nachweis ist für jede Betonsorte zu erbringen. Die Bildung von Betonfamilien ist nicht zugelassen. Im Rahmen der Erstprüfung gemäss Anhang A der Norm SN EN 206-1, sind für jede Betonsorte drei Prüfungen mit Prüfkörpern aus drei an unterschiedlichen Tagen produzierten Betonchargen durchzuführen. Prüfverfahren SIA 262/1, Anhang D Methode TFB Prüfserie/Probenart 6 Bohrkerne: d = 28 ±2 mm, l = 150 ±20 mm Für die werkseigene Produktionskontrolle gilt die Prüfhäufigkeit gemäss Tabelle NA.9 für den Chloridwiderstand. Nachweis Der Sulfatwiderstand gemäss der Norm SN EN wird nach der Norm SIA 262-1, Anhang D geprüft. Die Prüfung gilt als Referenzverfahren und besteht aus Tränkungszyklen, gefolgt von einer zwei monatigen Dauerlagerung in einer Natriumsulfatlösung. Ein weiteres Prüfverfahren zur Bestimmung des Sulfatwiderstandes von Beton ist die TFB-Methode (Tab ). Die Prüfergebnisse der verschiedenen Verfahren korrelieren wegen der unterschiedlichen Prüfanordnungen nicht signifikant. Die Prüfung des Sulfatwiderstandes kann projektspezifisch festgelegt werden. Dabei kann auch ein späterer Beginn der Prüfung (z. B. 90 Tage anstelle von 28 Tagen) festgelegt werden. 3 Prismen: mm 3, 3 Bohrkerne: d = 50 mm, l = 150 ±10 mm Prüfmedium 5%ige Na 2 SO 4 -Lösung 4.4%ige Na 2 SO 4 -Lösung, Drucksättigung und Lagerung Prüfbeginn nach 28 Tagen nach 28 Tagen Dauer Prüfkriterium Beurteilung Sulfatbeständigkeit 3 Monate 2 Tage Trocknungszyklen bei 50 C und 2 Tränkungszyklen mit anschl. zusätzlicher Sulfatlagerung bei 20 ±2 C Längenänderung nach 56 Tagen Zusatzlagerung Grenzwert für Mittelwert Sulfatdehnung l 1.2 nach 56 Tagen 2 6 Monate 3 Tage Trocknung bei 80 ±2 C anschliessend Drucksättigung und Lagerung in Sulfatlösung bei 20 ±2 C Lagerung in Wasser bei 20 ±2 C als Referenz Längenänderung nach 56, bzw. 168 Tagen Grenzwert für Mittelwert der Differenz der Dehnungen l = l Sulfat l H2O l 0.5 nach 56 Tagen l 1.0 nach 168 Tagen Weitere Prüfungen Für den lösenden Angriff gibt es kein normiertes schweizerisches oder europäisches Prüfverfahren. Geeignete Prüfanordnungen müssen so angelegt werden, dass sie den spezifischen chemischen Angriff simulieren. Häufig sind das Auslagerungen in einem betonaggressiven Milieu, evtl. verschärft durch mechanische Bearbeitungen (Abrieb), Temperaturzyklen oder Trocken-Feuchtzyklen. Indirekte Prüfverfahren, welche die Dichtigkeit des Betons gegenüber Flüssigkeiten messen, z. B. Wassereindringtiefe nach Norm SN EN , können auch für eine Beurteilung verwendet werden (Tab ). Tab : Überblick über die wichtigsten Prüfverfahren zum Sulfatwiderstand von Beton. Tab : Mindestanforderungen an die Betonzusammensetzung bei lösendem Angriff und bei Sulfatangriff für Beton mit D max = 32 mm nach der Norm SN EN Expositionsklasse (CH) XA1 XA2 XA3 Angriffsart lösender Angriff Sulfatangriff lösender Angriff Sulfatangriff lösender Angriff Betonsorten Tiefbau C oder D (T1) F (T3) C oder D (T1) F (T3) Mindestzementgehalt [kg/m 3 ] Max. w/z-wert [-] Sulfatangriff Betonpfähle und Schlitzwände P2 P2 P2 Mindestzementgehalt [kg/m 3 ] Max. w/z-wert [-] Expositionsklasse (CH) XA1 XA2 XA3 Maximale Wassereindringtiefe nach Norm SN EN mm 30 mm Tab : Richtwerte für die Wassereindring tiefe zur Beurteilung der Betondichtigkeit als Mass für den chemischen Widerstand. 188 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 189

96 6. Betone mit besonderer Dauerhaftigkeit 6.3 Chemisch beständiger Beton Betontechnologie Allgemeines Der Widerstand von Beton gegenüber einem lösenden Angriff und Sulfatangriff setzt sich aus einem physikalischem und einem chemischen Widerstand zusammen. Für den physikalischen Widerstand ist ein dichtes Betongefüge massgebend, welches vor allem über den w/z- Wert, die Zementart, eine sorgfältige Verdichtung und ausreichend lange Nachbehandlung gesteuert wird. Für den chemischen Widerstand sind der Zement und ggf. eingesetzte Zusatzstoffe ausschlaggebend. Zement Portlandkompositzemente mit chemisch reaktiven Zementzusatzstoffen wie gebrannter Schiefer, Hüttensand, Flugasche oder Silikastaub können die chemische Beständigkeit des Betons verbessern, indem sie und ihre Hydratphasen den Gel porenraum zwischen den Hydratationsprodukten des Zementes ausfüllen und somit zu einer Verdichtung des Beton gefüges gegenüber aggressiven Stoffen beitragen. Zudem binden sie das Calciumhydroxid (Ca(OH) 2 ) in die Calciumsilikathydratphasen (C-S-H) während der puzzolanischen oder latent hydraulischen Reaktionen ein, so dass weniger leicht lösliches, auswaschbares oder austausch bares Calciumhydroxid zur Verfügung steht. Abb : Abwasserreinigungsanlage mit Belebungs- und Nachklärbecken. Der chemische Widerstand eines Zementes hängt bei einem Sulfatangriff von der Zusammensetzung des Zementklinkers (C 3 A-Gehalt) und dem Klinkergehalt ab sowie von der Art und dem Anteil der Hauptbestand - teile des Zementes. Gesteinskörnung Die natürlichen Gesteinskörnungen sind normalerweise viel dichter und chemisch beständiger als der Zementstein. Die chemische Beständigkeit der Gesteinskörnung kommt erst bei starkem Angriff durch Säuren oder Laugen zum Tragen (siehe Kapitel 8.6). Zusatzstoffe Inerte Betonzusatzstoffe beeinträchtigen die chemi - sche Beständigkeit des Betons, da sie in der Regel den Wasseranspruch erhöhen und damit ein poröses Betongefüge schaffen. Kalksteinmehl mit einer Dosierung von mehr als 10 M.-% fördert die Thaumasit-Bildung (siehe Kapitel 8.7). Reaktive Betonzusatzstoffe, wie z. B. Flugaschen oder Silikastaub, können bei ausreichender Dosierung und Mahlfeinheit einen positiven Effekt auf die chemische Beständigkeit haben. Die Wirksamkeit muss in Kombination mit dem gewählten Zement überprüft werden. w/z-wert Der w/z-wert ist der massgebende Parameter für die chemische Beständigkeit von Beton und darf nach Norm SN EN je nach Angriffsart und Expositionsklasse 0.50 nicht überschreiten. Einbau und Verdichten Der Beton sollte eine glatte, geschlossene Oberfläche mit wenig Lunkern aufweisen, um dem chemischen Angriff wenig Angriffsfläche zu bieten. Geeignete Massnahmen sind in Kapitel 6.1 beschrieben. Nachbehandlung Es wird empfohlen, für chemisch beständige Betone die Nachbehandlungsklasse NBK 4 zu wählen. Die Mindestbehandlungsdauer ist entsprechend der Zementart anzupassen (siehe Kapitel 3.6). Vor allem bei langsam erhärtenden Zementen wie z. B. CEM III/B ist eine ausreichend lange Nachbehandlung wichtig, um die erforderliche Dichtigkeit gegenüber eindringenden Stoffen zu erhalten Hinweise für das Planen von chemisch beständigem Beton Allgemeines Eine sorgfältige Abklärung aller möglichen Einfluss - grössen und Zusammenhänge ist bei der Projektierung von chemisch exponierten Betonbauteilen notwendig. Die Konsequenzen des Betonabtrags, der sogenannten Betonerosion, auf die Tragsicherheit, Dauerhaftigkeit und Nutzung im Betrieb, wie auch auf die Überwachung und den Unterhalt eines Bau werkes müssen beurteilt werden. Grad des chemischen Angriffs Schwacher chemischer Angriff Mässiger chemischer Angriff Starker chemischer Angriff Bauwerke und Einwirkungen Die Angaben der Norm SN EN in Tabelle gelten für natürliche Böden und angreifende Grundwässer, jedoch nicht für Abwässer und konzentrierte Lösungen wie sie in der Industrie auftreten können. Wichtige Hinweise für die Planung und Projektierung von Biologiebecken in Abwasserreinigungsanlagen sind im Merkblatt Nr. 1 der cemsuisse enthalten. Ein chemischer Angriff auf Beton kann auch im Bereich der Landwirtschaft, in der Lebensmittelindustrie, wie Molkereien, Käsereien oder bei der Herstellung von Fruchtsäften, in der chemischen Industrie und in Spezialbereichen stattfinden (siehe Kapitel 8.5). Der Grad des chemischen Angriffs bzw. die Expositionsklasse muss objektspezifisch beurteilt werden. Bei industriellen, wasseroder landwirtschaftlichen Anwendungen sollten auch verfahrenstechnische und bauliche Massnahmen überprüft und gegebenenfalls umgesetzt werden, um den chemischen Angriff zu reduzieren. In den Tabelle und werden für eine Einschätzung des chemischen Angriffsgrades auf Beton für ausgewählte Bauwerke und für ausgewählte Stoffe, die nicht durch die Tabelle abgedeckt werden, gegeben. Schwefelhaltige Rauchgase in Hochkaminen können ebenfalls zu hohen Sulfatgehalten im Beton führen und bei feuchten Bedingungen (z. B. Stilllegung des Kamins) zu Sulfatangriff führen. In Güllebehältern/Kläranlagen kann je nach Schwefelgehalt der Gülle und Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen ein schwacher Angriff durch Schwefelwasserstoff auftreten unabhängig vom Ammonium (NH 4 )-Gehalt. Warm- und Kaltstall. In Trinkwasseraufbereitungsanlagen kann der ph-wert bereichsweise verfahrensbedingt in einen betonaggressiven Bereich sinken. Der Angriff wird durch die ständige Strömung in diesen Anlagen noch deutlich verstärkt. Bei Trinkwasserreservoiren, die weiches Wasser enthalten, ist mit einem chemischen Angriff des Zementsteines durch Auslaugung zu rechnen. Bei Trinkwassereservoiren ohne weiches Wasser kann die Expositionsklasse XC4 gewählt werden. Schwimmbäder in Sichtbetonausführung: durch Reinigungsmittel und mechanische Reinigung kann die Zementhaut innert kurzer Zeit abgebaut werden. Belebungsbecken von kommunalen Kläranlagen: Durch Nitrifikation können im Biofilm auf der Betonoberfläche lokal tiefe ph-werte entstehen, die einen Säureangriff verursachen, der je nach Abwasserzusammensetzung und Denitrifikationsprozessen mehr oder weniger stark sein kann. Kühltürme mit Abgaseinleitung: durch Kondensation des Wasserdampfes an der Betoninnenseite der Kühltürme kann ein Schwefelsäureangriff (ph-werte zwischen 3 7) erfolgen. Gärfuttersilos: Das Futter wird durch Milchsäuregärung haltbar gemacht. Dabei entstehen Sickersäfte, die ph-werte um 4 erreichen und einen starken Säureangriff verursachen. Biogasanlagen: Biogas enthält Schwefelwasserstoff, der sich je nach Temperaturund Feuchtigkeitsbedingungen im Gasraum zu elementarem Schwefel, schwefliger Säure oder durch anaerobe Thiobakterien zu Schwefelsäure umwandeln kann. Kanalisationen mit schwefelhaltigem Abwasser: aus dem Abwasser entweichender Schwefelwasserstoff bildet mit Kondenswasser schweflige Säure oder kann durch anaerobe Bakterien zu Schwefelsäure oxidiert werden. Tankstellen mit Ausgabe von Biodiesel (Bioethanol), welcher nicht verdampft und durch die Fettsäuremethylester den Beton angreift (ph-werte um 4). Bei Tankstellen ohne Ausgabe von Biodiesel müssen die Expositionsklassen XF4 und XD3 gewählt werden. Tab : Beispiele für chemischen Angriff, die nicht durch die Tabelle abgedeckt werden. 190 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 191

97 6. Betone mit besonderer Dauerhaftigkeit 6.3 Chemisch beständiger Beton Da verschiedene Angriffsarten möglich sind, ist es wichtig die genauen Umgebungsbedingungen zu kennen, um die Aggressivität für den Beton richtig abschätzen zu können. Folgende Einflussfaktoren sind massgebend: Art und Konzentration der aggressiven Stoffe und deren Reaktionsgeschwindigkeit (Tab ) Umgebungsbedingungen des Bauteils, insbesondere Temperatur, Feuchtigkeit und deren Schwankungen Art der Einwirkung der aggressiven Stoffe: einmalig, zyklisch oder Dauerbelastung Strömungsverhältnisse: Fliessgeschwindigkeit, Turbulenzen, tropfendes Wasser Zusätzliche mechanische Beanspruchung durch Abrieb, Reinigung (Wasserstrahlen, Chemikalien) Alter des Betons bei Beginn der chemischen Belastung Die Geschwindigkeit und der Grad der Betonschädigung werden neben der Art der angreifenden Stoffe bzw. der Zusammensetzung des Betons auch von den Umweltbedingungen beeinflusst. Trockener Beton saugt mehr Flüssigkeit auf und die betonschädigenden Stoffe werden in grösserer Menge und in grössere Tiefe aufgenommen. Mit zunehmender Temperatur werden die chemischen Reaktionen beschleunigt. Bei tiefen Temperaturen öffnen sich ggf. vorhandene Risse, durch die aggressive Flüssigkeiten tiefer in den Beton eindringen. Der Angriffsgrad nimmt normalerweise ab, wenn die Temperatur des Wassers niedrig ist (Ausnahme: Thaumasit-Schäden, Kohlensäureangriff) oder wenn das Wasser nur in geringer Menge ansteht und sich praktisch nicht bewegt. Herrschen andere Umgebungsbedingungen, z. B. durch erhöhte Temperatur, erhöhten Wasserdruck oder erhöhte Fliessgeschwindigkeit oder zusätzliche mechanische Belastungen (v. a. Abrieb, Reinigung), muss das verstärkte Schadensrisiko von Fall zu Fall beurteilt werden. Zusätzliche Massnahmen Zusätzliche Massnahmen haben das Ziel, den Kontakt und Eintrag von betonangreifenden Stoffen zu verringern oder vollständig zu verhindern. Es können die im Kapitel genannten zusätzlichen Massnahmen eingesetzt werden. Insbesondere Risse, Betonierfugen und Kiesnester stellen bevorzugte Transportwege für chemisch aggressive Lösungen dar, so dass in diesen Bereichen die Zerstörung des Zementsteines durch ständige Zirkulation immer weiter vorangetrieben werden kann. Normalerweise können die unlöslichen Rückstände des Zementsteines eine Schutzhülle an der Betonoberfläche bilden, wenn diese nicht weggespült oder mechanisch entfernt wird. Beton mit einer ausreichenden Wasserdichtigkeit ist im Allgemeinen beständig gegenüber weichem Wasser. Unabhängig vom Härtegrad des Wassers findet aber bei ständiger Wasserzirkulation immer eine mehr oder weniger ausgeprägte Auslaugung des Zementsteines statt. Im Falle eines chemischen Angriffes bestehen erhöhte bis hohe Anforderungen bezüglich der Rissbildung. Entsprechende Massnahmen zur Rissbreitenbegrenzung sind im Kapitel 8.4 beschrieben. Tab : Grad des chemischen Angriffs auf Beton für ausgewählte Stoffe, die nicht durch die Tabelle abgedeckt werden. Haushalt Böden, Landiwrtschaft Industrie, Abwässer Angriffsgrad schwach mässig stark Fruchtsäfte Buttermilch Weinsäure Zuckerlösungen Bier Gerbsäuren Zitronensäure, Ameisensäure, Huminsäuren, Phosphorsäure, Phenol Natriumnitrat Gärfutter Maische Ammoniak Magnesiumchlorid Ammoniumchlorid Mineralöl Mineralfette Benzin Diesel Weiche Wässer, Kondenswasser, destilliertes Wasser Essigsäure*, Kohlensäure*, Milchsäure* Kunstdünger* Ammoniumnitrat, Natriumsulfat, Magnesiumsulfat, Calciumsulfat Fettsäuren aus tierischen, pflanzlichen Fetten und Öle* Ammoniumsulfat Bei der Planung ist darauf zu achten, dass alle Bauwerksfugen und Durchdringungen im flüssigkeitsberührten Bereich wasserundurchlässig bzw. gasundurchlässig ausgebildet sind. Bei Schwefelwasserstoffbildung ist auf eine ausreichende Belüftung zu achten. Bei extremen Umgebungsbedingungen (mit Säureangriff) ist die Notwendigkeit von zusätzlichen Schutzmassnahmen, z. B. in Form von widerstandsfähigen Kunststoffbeschichtungen oder Keramikbelägen, durch einen Fachspezialisten zu beurteilen. Beschichtungen aus Ultrahochleistungsfaserbeton können dank ihrer sehr hohen Dichte ebenfalls eine Lösung für solche speziellen Aufgabenstellungen darstellen (siehe Kapitel 7.3). Die Eignung von Beschichtungen, Fugenabdichtungen und flächigen Abdichtungen ist mit Vorversuchen und Nachweisen zu belegen und während des Einbaus zu kontrollieren. Je nach Bauwerk und Verwendungszweck sind Dichtigkeitsprüfungen von Bauteilen vorzusehen. Abb : Beton mit hohem Widerstand gegen chemischen Angriff für den Bau einer Kehrichtverbrennungsanlage. Formiate, Acetate Natriumhydroxid < 10 % Natriumhydroxid % Natriumhydroxid* > 20 % Kaliumhydroxid > 20 % Schwefelwasserstoff Schweflige Säure Flusssäure Salpetersäure Salzsäure Schwefelsäure * Der Angriffsgrad dieses Stoffes kann variieren und auch als sehr stark angreifend eingestuft werden. 192 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 193

98 6. Betone mit besonderer Dauerhaftigkeit 6. Betone mit besonderer Dauerhaftigkeit 6.4 AAR-beständiger Beton 6.4 AAR-beständiger Beton Einleitung Unter der Alkali-Aggregat-Reaktion (AAR) wird eine Reaktion zwischen Bestandteilen der Gesteinskörnung und der Porenlösung des Betons verstanden. Bestimmte Gesteinskörner sind aufgrund ihrer Zusammensetzung im alkalischen Milieu des Betons instabil und bilden ein quellfähiges, betonschädigendes Gel. Die AAR hat in der Schweiz in den letzten Jahren einen grösseren Stellenwert bekommen, da vermehrt AARbedingte Schäden an unterschiedlichen Betonbauten festgestellt wurden. Diese Schäden traten dabei meistens erst 20 bis 40 Jahre nach der Erstellung des Bauwerkes auf. Schäden aufgrund einer Alkali-Aggregat-Reaktion werden im Kapitel 8.8 detailliert behandelt Normative Anforderungen Ausschreibung Das Merkblatt SIA 2042 Vorbeugung von Schäden durch Alkali-Aggregat-Reaktion (AAR) bei Betonbauten regelt zusammen mit den Normen SIA 262 und der SN EN die Anforderungen an AAR-beständigen Beton. Dabei sind folgende Schritte notwendig: Bewertung der Risikoklasse des Bauwerks Bewertung der Umgebungsbedingungen Bestimmung der Präventionsklasse Festlegung der Anforderungen an den Beton Risikoklassen Die Einstufung eines Bauwerks in eine Risikoklasse wird vom Projektverfasser gemeinsam mit dem Bauherrn vorgenommen. Für die Einstufung in eine der Risikoklassen R1 gering, R2 normal und R3 hoch werden verschiedene Aspekte zur Bedeutung und Funktion des Bauwerks berücksichtigt. Hinweise zur praktischen Ermittlung der Risikoklassen sind im Merkblatt SIA 2042, Anhang A angegeben. Umgebungsklassen Die Beanspruchung eines Bauwerks wird mit Hilfe der Umgebungsklassen U1 bis U3 bewertet. Die Umgebungsklassen fassen eine Gruppe von Expositionsklassen gemäss Norm SN EN zusammen. Sie berücksichtigen die Wassersättigung des Betons, die Beanspruchung des Bauteils durch Temperaturwechsel sowie die Alkalizufuhr von aussen in Form von Streusalz, Berg- oder Grundwasser (Tab ). Verschärfte Bedingungen können durch zusätzlichen chemischen Angriff, nach Süden ausgerichtete Bauteiloberflächen, tägliche grosse Temperaturschwankungen, überdurchschnittlich viele Frost-Tauzyklen pro Jahr, usw. hervorgerufen werden. Umgebungsklasse U1 U2 U3 U3 U3 Präventionsklasse Die Festlegung des Präventionsniveau wird mit Hilfe der Präventionsklassen P1 gering, P2 normal und P3 hoch vorgenommen. Sie ergibt sich aus der Kombination der Risikoklassen R1 bis R3 und der Umgebungsklassen U1 bis U3 ( Tab ). Risikoklasse Für die Präventionsklasse P1 sind keine über die Anforderungen der anderen geltenden Normen hinausgehenden besonderen Massnahmen erforderlich. Für die Präventionsklassen P2 und P3 wird der Einsatz eines AAR-beständigen Betons gefordert. Bei der Präventionsklasse P3 müssen zusätzliche Massnahmen (Planung, Ausführung, Überwachung, Schutz und Unterhalt) vom Projektverfasser getroffen werden (Merkblatt SIA 2042, Anhang C). Treten bei einem Bauteil zwei Präventionsklassen auf (z. B. Oberseite/Unterseite, Vorderseite/Rückseite, Innenseite/Aussenseite), sind die Anforderungen der höheren Klasse einzuhalten. Präventionsklasse 1 positiv Umgebungsklasse U1 U2 U3 R1 P1 P1 P1 R2 P1 P2 P2 R3 P2 P2 P3 Tab : Bestimmung der Präventionsklassen anhand der Risikound Umgebungsklassen nach Merkblatt SIA Langzeiterfahrung keine Aus Tabelle geht hervor, dass v. a. Tiefbaubetone (Umgebungsklassen U2 und U3) eine ausreichende AARbeständigkeit aufweisen müssen und die AAR-Beständigkeit von Hochbaubetonen in der Regel nur bei Ausnahmebauten (Kombination U1/R3) notwendig ist. Die Einteilung in die Präventionsklassen sollte sehr sorgfälltig vorgenommen werden. Die Holcim-Fachleute bieten gerne ihre Unterstützung an. Festlegung des Betons Für die Präventionsklassen P2 und P3 wird ein Beton nach Eigenschaften mit der zusätzlichen Anforderung für AAR-Beständigkeit nach dem Merkblatt SIA 2042 ausgeschrieben, z. B.: Beton gemäss SN EN C 30/37 XC4, XD3, XF4 D max 32 Cl 0.10 C3 Zusätzliche Eigenschaft: AAR-Beständigkeit gemäss Merkblatt SIA 2042 AAR-beständiger Beton gemäss Merkblatt SIA 2042 darf nur von Betonherstellern, die nach Norm SN EN zertifiziert sind, geliefert werden. Nachweis Das Vorgehen zur Vorbeugung der AAR richtet sich nach der Präventionsklasse und ist in Abbildung dargestellt. Für den Nachweis der AAR-Beständigkeit wird ein dreistufiges Verfahren mit Laboruntersuchungen gemäss Merkblatt SIA 2042 vorgeschlagen. Die Unbedenklich - keit einer Gesteinskörnung wird anhand der petrographischen Zusammensetzung und der Mikrobar-Prüfung nachgewiesen. Anhand der petrographischen Analyse muss zuerst nachgewiesen werden, dass die Mikrobar- Prüfung für den Nachweis der Nicht-Reaktivität einer Präventionsklasse 2 Präventionsklasse 3 Abb : Vorgehen zur Vorbeugung der AAR für die drei Präventionsklassen P1, P2 und P3 nach Merkblatt SIA Expositionsklassen (CH) Betonsorten nach SN EN XC3, XF1 oder XC4, XF C XC4, XD1, XF2 oder XC4, XD1, XF4 D(T1) oder E (T2) XC4, XD1, XF2 oder XC4, XD3, XF4 G (T4) oder F (T3) XC1 oder XC2 C P1, P2, P3, P4 XF3 oder XD2 negativ Petrographische Zusammensetzung Gesteinskörnung Mikrobarprüfung bestanden? nein weitere Massnahmen Beschreibung Beton im Aussenbereich vor direkter Bewitterung geschützt, mit geringer Frostbelastung Beton im Aussenbereich, der Witterung ausgesetzt (Sprühnebel, geringe bis starke Frost- oder Frosttausalz- Belastung) Beton im Aussenbereich, der Witterung aus gesetzt (Kontaktund Spritzwasser, hohe Frosttausalz-Belastung) Bauteile in, Grundoder Bergwasser, (evtl. aggressiv für Beton) Ständig nass oder nass/selten trocken. Hohe Wassersättigung möglich. Ohne wesentliche Alkalizufuhr von aussen (z. B. Grundwasser) Hohe Wassersättig ung mit Frostbelastung oder mit Chlorideintrag oder Alkali zufuhr von aussen: Stützen im Wasser, Behälter, Auffangbecken ja Betonperfomanceprüfung bestanden? Betonrezeptur ändern nein Tab : Zuordnung der wichtigsten Betonsorten zu den Umgebungsklassen U1, U2 und U3 nach Merkblatt SIA 2042, Anhang B. Beton kann verwendet werden 194 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 195

99 6. Betone mit besonderer Dauerhaftigkeit 6.4 AAR-beständiger Beton Gesteinskörnung verwendet werden darf. Es ist ebenfalls möglich, auf die Abklärung der Alkalireaktivität mittels Mikrobar-Prüfung zu verzichten und direkt die AAR- Beständigkeit eines Betons zu prüfen. Bei der Verwendung einer alkalireaktiven Gesteinskörnung sowie bei rezyklierten oder leichten Gesteinskörnungen wird die Beständigkeit des Betons mit der Beton-Performance- Prüfung nachgewiesen. Langzeiterfahrungen können geltend gemacht werden bei gut dokumentierten vergleichbaren Betonen, die seit mindestens 30 Jahren in vergleichbaren Bauteilen (Geometrie, Bewehrung, Orientierung, Exposition, Nutzung) eingebaut sind und keine signifikanten Schäden aufweisen. Dieser Nachweis ist jedoch nur für die Präventionsklasse P2 zugelassen. Mikrobarprüfung Die Alkalireaktivität der natürlichen Gesteinskörnungen wird durch Quellversuche von Mörtelproben bestimmt, die einer Wasserdampfbehandlung, gefolgt von einer Autoklavbehandlung bei 150 C in einer KOH-Lösung unterzogen werden (Abb ). Die Längenänderung nach der Behandlung muss < % sein. Beton-Performance-Prüfung Die AAR-Beständigkeit eines Betons wird durch einen Quellversuch an drei Betonprismen mm bestimmt, die bei 60 C und 100 % r. F. in einem Reaktor gelagert werden. Die Längenänderungen werden in bestimmten zeitlichen Abständen während 5 bis 12 Monaten gemessen (Abb ). Der Grenzwert der Längenänderung für die AAR-Beständigkeit eines Betons mit einer definierten Zusammensetzung beträgt nach 5 Monaten und nach 12 Monaten Übertragbarkeit von Ergebnissen der Beton-Performance-Prüfung Die Zusammensetzung von AAR-beständigen Betonen darf grundsätzlich nicht verändert werden ohne eine Überprüfung durch eine Fachperson. Wird eine Veränderung der Betonrezeptur z. B. aus Verarbeitungsgründen notwendig, kann das Betonwerk im Rahmen der Vorgaben des Merkblatt SIA 2042 allfällige Alternativen vorschlagen. Die Nachweise für die AAR-Beständigkeit mit der Beton-Performance-Prüfung sind auf andere Betone übertragbar, wenn die Anforderungen an Gesteinskörnung, Zementart und -gehalt, w/z-wert sowie Zusatzstoffe und Zusatzmittel erfüllt sind (Tab ) Betontechnologie Allgemeines Ein AAR-beständiger Beton wird entweder durch die Verwendung einer nicht alkalireaktiven Gesteinskörnung erreicht oder indem Zementart und Zementgehalt sowie ggf. Zusatzstoffe so gewählt werden, dass es durch die Reduktion des Alkaligehaltes des Betons nicht zu einer betonschädigenden Reaktion der Gesteinskörnung kommt. Als kritischer Alkaligehalt wird derjenige Alkaligehalt des Betons bezeichnet, bei dem die Gesteinskörnung zu reagieren beginnt und signifikante Längenänderungen hervorruft. Dieser kritische Alkaligehalt variiert je nach Herkunft der Gesteinskörnung, die unterschiedlich heftig auf Veränderungen im Alkaligehalt reagieren können. Massnahmen zur Vermeidung der AAR können deshalb nicht ohne weiteres von einer Region auf die andere übertragen werden. Zement Der Zementklinker ist im Normalfall der Hauptlieferant für die an der Reaktion beteiligten Alkalien im Beton. Für die Herstellung von AAR-beständigen Betonen werden in der Regel Portlandkompositzemente mit reduziertem Klinkergehalt, wie z. B. Optimo 4, Robusto 4R-S, Fortico 5R usw. oder Hochofenzement, wie Modero 3B, eingesetzt. Zugabewasser Für die Herstellung von AAR-beständigen Betonen ist die Verwendung von Restwasser untersagt, da mit dem Restwasser ein zusätzlicher Alkalieneintrag erfolgen kann. Gesteinskörnung Die Art der reaktiven Gesteinskörnungen hat den grössten Einfluss auf die Reaktionsgeschwindigkeit. Gesteinsarten mit amorpher oder teilkristallisierter Kieselsäure reagieren schneller als solche mit auskristallisierten Silikaten. Poröse, gerissene, verwitterte Gesteinskörner, aber auch frisch gebrochene Gesteinskörner sind reaktiver als dichte, ungerissene, natürlich gerundete Gesteinskörner. Grobe Gesteinskörner reagieren eher langsam, führen aber zu grösseren Ausdehnungen und Schäden als kleine Gesteinskörner. Herstellen der Mikrobars Mörtelprismen mm. Bestimmung der Ausgangslänge an den Mikrobars. Abb : Durchführung der Mikrobarprüfung nach Merkblatt SIA Probenbehandlung im Dampfbad bei 100 C. Probebehandlung im Autoklave bei 150 C für 6 Stunden. Bestimmung der Längenänderung nach der Behandlung. Ausgangsstoffe Gesteinskörnung Randbedingungen, Anforderungen Gesteinskörnungen kommen aus dem gleichen Abbaugebiet und weisen eine vergleichbare petrographische Zusammensetzung auf. Für den Nachweis gelten grundsätzlich die Normen SN und SN und ggf. die Mikrobarprüfung. Werden Gesteinskörnungen von mehreren Abbaugebieten verwendet, muss der Nachweis für alle Gesteinskörnungen erbracht werden. Der Einfluss einer signifikanten Änderung des Brechkornanteiles (z. B. grösser 50 M.-%) muss von einer Fachperson beurteilt werden. Tab : Übertragbarkeit der Ergebnisse der Performance- Prüfung nach Merkblatt SIA Zement Zement wird vom gleichen Zementwerk hergestellt. Zementart Beton enthält die gleiche Zementart mit der gleichen Zementfestigkeitsklasse. Zementgehalt Zementgehalt darf gleich oder max. 50 kg/m 3 geringer sein. w/z-wert w/z-wert darf höchstens um ±0.05 variieren. Zusatzstoffe Zusatzstoffe gehören in dieselbe Klasse und stammen vom gleichen Lieferanten und gleichen Produzenten. Der Gehalt an Zusatzstoffen unterscheidet sich um weniger als ±10 M.-% bezüglich der ursprünglichen Dosierung. 1 Herstellen der Betonprismen mit mm. 2a Probenlagerung bei 60 C und 100 % rel. Luftfeuchte im Reaktor. 2b Probenlagerung im Reaktor zwischen 5 und 12 Monaten. 3 Bestimmung der Längenmessung bis 5 oder 12 Monate. Zusatzmittel Änderungen bei der Zusammensetzung und dem Gehalt von demselben Zusatzmitteltyp sind ohne Einschränkung zugelassen, sofern sich deren Beitrag zum Alkaligehalt des Betons um weniger als 50 M.-% bezüglich ihres ursprünglichen Gehaltes erhöht. Dementsprechend ist es möglich einen Zusatzmitteltyp wegzulassen, aber es ist nicht möglich einen zusätzlichen Zusatzmitteltyp in die Betonrezeptur aufzu nehmen. LP-Betone gelten auch für identische Betone ohne Luftporenmittel. Abb : Durchführung der Beton-Performance Prüfung nach Merkblatt SIA Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 197

100 6. Betone mit besonderer Dauerhaftigkeit 6.4 AAR-beständiger Beton Abb : Stützmauer für Gleisunterführung. Die meistens Schweizer Gesteinskörnungen bestehen aus einem Gemisch von verschiedenen Gesteinsarten, so dass praktisch überall in unterschiedlichen Anteilen mehr oder weniger alkalireaktive Gesteine in den Gesteinskörnungen enthalten sind. Unter den Schweizer Ge steins kör nungen gelten nur die reinen Kalke, Dolomite, Kalkschiefer und Marmore, die keine sandigen oder kieseligen Mineralphasen enthalten, als nicht reaktiv. Bei allen anderen Gesteinsarten wie Kieselkalke, Sandsteine, Gneise, Grüngesteine, Granite und ähnliche kristalline Gesteine usw. ist mit einer potentiellen Alkalireaktivität zu rechnen. In der Schweiz sind nicht alkalireaktive Gesteinskörnungen sehr selten. Sie kommen hauptsächlich im Jurabogen vor. Die Gesteinskörnungen aus dem Mittelland sind wenig empfindlich bei üblichen Alkaligehalten im Beton. Bei höheren Alkaligehalten des Betons reagieren aber auch diese Gesteinskörnungen in feuchter Umgebung. Gesteinskörnungen aus dem Voralpen- und Alpenraum können z. T. sehr reaktiv sein und schon bei geringen Alkali gehalten im Beton schädigende Reaktionen hervorrufen. Verwitterte feldspat- und glimmerreiche Gesteinskörnungen können im Beton eine innere Alkaliquelle darstellen und somit die Reaktion fördern. Zusatzmittel Der Alkaligehalt einiger Zusatzmittel, z. B. Fliessmittel und Beschleuniger, beeinflusst die AAR-bedingten Längen änderungen signifikant. Deshalb müssen bei der Beton-Performance-Prüfung sämtliche Zusatzmittel, die später im Beton zum Einsatz kommen, in der Prüfmischung enthalten sein. Zusatzstoffe Durch Zusatzstoffe werden im Zement nicht nur der Klinkergehalt reduziert, sondern im Beton auch der ph-wert und die Alkali-Konzentration der Porenlösung so herab gesetzt, dass die Alkalireaktion der Gesteinskörnung verringert oder verhindert wird. Beim Einsatz von puzzolanischen Gesteinsmehlen (z. B. Trass, Phonolith) ist deren Wirkung auf die AAR unbedingt zu überprüfen. Je nach Herkunft und/oder Kombination mit einer gegebenen Gesteinskörnung kann die AAR positiv oder negativ beeinflusst werden. w/z-wert Ein geringer w/z-wert führt zu einer geringen Kapillarporosität und damit zu einem dichteren Betongefüge, wodurch die Diffusion der Alkalien zu den reaktiven Gesteinskörnern verlangsamt und der Feuchtigkeitseintrag von aussen verringert wird. Ein hoher w/z-wert bewirkt aufgrund der höheren Kapillarporosität eine schnellere und höhere zyklische Durchfeuchtung. Zudem kann es zu einem verstärkten Alkalieneintrag über Streusalze kommen. Damit wird auch das Risiko von Begleitschäden (Korrosion, Frost- Tausalzschäden) verstärkt. Dichte Betone sind aber nicht grundsätzlich AAR-beständig. Sie trocknen nur langsam und mit zunehmender Bauteildicke nie ganz aus und können einen für die AAR genügend hohen Feuchtigkeitsgehalt im Kernbeton aufweisen. Mit abnehmendem w/z-wert ist die Wassermenge im Porenraum reduziert, so dass die Ionenkonzentration und der ph-wert ansteigen und sich damit die Aggressivität der Porenlösung gegenüber der Gesteinskörnung erhöht Hinweise für das Planen von AAR-beständigem Beton Im Hochbau sollten AAR-beständige Betone nur in Ausnahmefällen verlangt werden (siehe Kapitel 6.4.2). Die deutlich längere, geplante Nutzungsdauer von 80 bis 100 Jahren für Kunstbauten sollte hingegen durch die Festlegung der Risikoklasse R3 berücksichtigt werden. Bei der Präventionsklasse P3 sind gemäss Merkblatt SIA 2042 neben den betontechnologischen Anforderungen zusätzliche Massnahmen erforderlich, die vom Projektverfasser ausgearbeitet werden müssen. Im Tiefbau, sind die Anforderungen in der Nutzungsvereinbarung festzulegen. Im Hochbau können diese Angaben auch nur in der Projektbasis festgehalten werden. Zusätzliche Massnahmen sind: Massnahmen bezüglich Nutzungsvereinbarung und Projektbasis Massnahmen beim Tragwerkkonzept Sensitivitätsanalyse Schutzmassnahmen Massnahmen bei der Ausschreibung, Realisierung und Überwachung Bei Infrastrukturbauten, deren Gebrauchstauglichkeit vorrangig von Ihrer Formstabilität abhängen, wie z. B. Schleusen oder Fundamente für Turbinen, sind die Auswirkungen einer AAR nicht nur auf den Beton, sondern auch auf die gesamten Installationen bei der Risikobeurteilung zu berücksichtigen. Bauteile mit Dicken von mehr als 1 m sind ebenfalls zu berücksichtigen, denn sie erschweren das Austrocknen des Betons und führen zu verhältnismässig grossen absoluten Ausdehnungen und entsprechenden Schäden. Wird bei Beton nach Eigenschaften die Gesteinskörnung vom Bauherrn vorgegeben (z. B. beim Einsatz von Tunnelausbruchmaterial), so liegt die Verantwortung und Nachweispflicht für die AAR-Beständigkeit des Betons vor der Ausschreibung beim Bauherrn. Umgebungsbedingungen Die wichtigsten Parameter bei der Beurteilung der Umgebungsbedingungen sind die Feuchtigkeit, die Temperatur und eine Alkalizufuhr von aussen. Hohe Temperaturen beschleunigen die Entwicklung der AAR. Die Umgebungsbedingungen können verschärft werden durch zyklische Belastungen des Bauteils. In Betonbauwerken, welche starken und häufigen klimatischen Schwankungen, z. B. Nass-Trocken-Wechsel oder Frost-Tau-Wechsel, ausgesetzt sind, treten grössere Schäden auf als zum Beispiel bei Beton in weitgehend konstanten Umgebungsbedingungen. Streusalze führen zu einem Alkalieintrag, der die AAR ebenfalls lokal in belasteten Bauteilbereichen fördern kann. Ein ähnlicher Schadenmechanismus entsteht beim Einsatz von organischen Taumitteln und Enteisern wie Acetaten und Formiaten, welche den ph-wert der Porenlösung extrem erhöhen, so dass es zu Alkali-Reaktionen der Gesteinskörnung kommen kann. Grundsätzlich werden in der Norm SN EN rezyklierte Gesteinskörnungen, wie Betongranulat und Mischgranulat, als potentiell reaktiv betrachtet. Industriell hergestellte Gesteinskörnungen, wie z. B. Glas, Schaumglas und Blähton, enthalten amorphe Kieselsäure und werden i. d. R. als potentiell reaktiv eingestuft. Abb : Staumauer. 198 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 199

101 Kapitel 7 Betone für besondere Anwendungen 7.1 Sichtbeton Einleitung Normative Anforderungen Betontechnologie Allgemeine Hinweise für das Planen von Sichtbeton Spezielle Hinweise für das Planen von Sichtbeton Hochfester Beton Einleitung Normative Anforderungen Betontechnologie Hinweise für das Planen von hochfestem Beton Ultrahochleistungs-Faserbeton Einleitung Normative Anforderungen Betontechnologie Hinweise für das Planen von Ultrahochleistungs-Faserbeton Beton für Bohrpfähle und Schlitzwände Einleitung Normative Anforderungen Betontechnologie Hinweise für das Planen von Bohrpfahlund Schlitzwandbeton Beton für Verkehrsflächen Einleitung Normative Anforderungen Betontechnologie Hinweise für das Planen von Betondecken 235

102 7. Betone für besondere Anwendungen 7. Betone für besondere Anwendungen 7.1 Sichtbeton Schalung Typ 1: Normale Betonfläche 7.1 Sichtbeton Einleitung An Sichtbetonoberflächen werden besondere Anforderungen hinsichtlich Farbe, Gestaltung, Ebenheit und Massgenauigkeit gestellt. Bei der Herstellung von Sichtbeton wird im Wesentlichen unterschieden zwischen den Oberflächen, bei denen die Schalhaut als Gestaltungselement benutzt wird, und Oberflächen, die nachträglich bearbeitet werden. In beiden Fällen kann Farbe als gestalterisches Merkmal eingesetzt werden (siehe Kapitel 4.4). Die Realisierung von Sichtbetonoberflächen erfordert ein grosses Know-how aller am Bau beteiligten Personen und eine sorgfältige Planung sowie fachmännische Ausführung. Bei ästhetisch anspruchsvollen Objekten ist die optimale Abstimmung aller Beteiligten sowie der ungehinderte Informationsfluss untereinander wichtig. Schalung Typ 2: Betonfläche mit einheitlicher Struktur Normative Anforderungen Schalungstypen Sichtbeton muss grundsätzlich die Anforderungen der Norm SN EN erfüllen. In der Norm SIA 118/262 werden Anforderungen an das Erscheinungsbild einer Sichtbetonoberfläche in Abhängigkeit von vier verschiedenen Schalungstypen (Typ 1 bis Typ 4) festgelegt (Abb ). Typ 1: normale Betonfläche Typ 2: Betonfläche mit einheitlicher Struktur Typ 3: Sichtbetonfläche mit Brettstruktur Typ 4: Sichtbetonfäche mit Tafelstruktur Diese Schalungstypen bestimmen unabhängig von einer späteren Oberflächenbearbeitung den Oberflächencharakter des Betons. Sichtbetonklassen Sichtbetonspezifische Anforderungen werden im cemsuisse-merkblatt 2 Merkblatt für Sichtbetonbauten gegeben. Dort werden die Anforderungen an die Betonoberfläche anhand von vier Sichtbetonklassen (SBK 1 bis 3 sowie SBK S) beschrieben. Den Sichtbetonklassen können Schalungstypen zugeordnet werden. Dabei ist der Schalungstyp 1 für keine Sichtbetonklasse zugelassen. Für die Sichtbetonklasse SBK S ist der Schalungstyp durch den Planer festzulegen (Tab ). Die ästhetischen Anforderungen an die Sichtbetonoberfläche nehmen mit steigender Sichtbetonklasse zu. Sichtbetonklasse SBK 1 stellt dabei die Mindestqualität ohne eine ausgeprägte Gestaltungsabsicht dar. In den meisten Fällen werden die Sichtbetonklassen SBK 2 und SBK 3 gewählt. Die Sichtbetonklasse SBK S als Sonderklasse ist eine offene Klasse. Sie erlaubt die Spezifizierung aussergewöhnlicher Oberflächenbeschaffenheiten. Die Sichtbetonklassen werden anhand von fünf Einzelkriterien (Textur, Lunker, Farbton, Ebenheit und Fugen) charakterisiert. Textur (TX) Mit der Textur wird die Beschaffenheit der Betonoberfläche und die Ausbildung an Elementstössen beschrieben. Anforderungen werden gestellt an die Geschlossenheit und Einheitlichkeit der Betonoberfläche, an den Zementleimverlust bei Stössen (Abb ) und an das Ausmass von Versätzen, Graten, Stössen und Überzähnen. Lunker (LK) Unter Lunker werden Vertiefungen und geöffnete Poren an der Betonoberfläche verstanden (Abb ). Eine qualitative Beurteilung des Erscheinungsbilds erfolgt hinsichtlich des Porenanteils und der Gleichmässigkeit. Lunker mit einem mittleren Durchmesser > 15 mm sind bei Sichtbeton nicht zulässig. Die Anzahl der Lunker mit einem mittleren Durchmesser von 1 bis 15 mm kann begrenzt werden, z. B. als Flächenanteil pro Prüffläche von 500 x 500 mm. Farbton (FB) Eigenschaften beim Farbton sind Farbe und dessen Gleichmässigkeit. Anforderungen werden hinsichtlich der Farbtonabweichungen und der Hell-/ Dunkelverfärbungen (Wolkenbildung) gestellt (Abb ). Fugen (FG) Die Ausbildung von Arbeits- und Schalhautfugen ist für das Gesamtbild sehr wichtig (Abb ). Anforderungen werden neben der Ausbildung auch an die Dichtigkeit der Fugen sowie den Schutz von Kanten und den Flächenversatz von zwei Betonierabschnitten gestellt. Ebenheit (EB) Die Ebenheit der Sichtbetonoberfläche wird massgeblich von der Ebenheit und Steifigkeit der Schalung beeinflusst. Quantitative Anforderungen an die Abweichungen werden in Abhängigkeit von der Mess distanz gestellt (Abb ). Die Anforderungen an die fünf Einzelkriterien sind für jede Sichtbetonklasse in den Tabellen bis aufgeführt. Schalungstyp gemäss Norm SIA 118/262 Typ 1: normale Betonfläche Typ 2: Betonfläche mit einheitlicher Struktur Typ 3: Sichtbetonfläche mit Brettstruktur Typ 4: Sichtbetonfläche mit Tafelstruktur Festlegung des Schalungstyps durch Planer Zulässige Abweichung adm [mm] Messdistanz bzw. Messpunktabstand [m] Sichtbetonklasse SBK 1: EH1 (Schalungstyp 2) Sichtbetonklasse SBK 2: EH1 (Schalungstyp 3 und 4) Sichtbetonklasse SBK 3: EH2B (DIN 18202) Lunker Zementstein Betonoberfläche Sichtbetonklasse nach cemsuisse- Merkblatt Nr. 2 Keine SBK 1 SBK 2, SBK 3 SBK 2, SBK 3 SBK S Luftpore Gesteinskorn Kernbeton Tab : Zuordnung der Schalungstypen zu den Sichtbetonklassen. Abb : Anforderungen an die Ebenheit von Betonoberflächen. Abb : Schnittbild von Beton mit Lunker an der Oberfläche und Luftporen im Inneren. Schalung Typ 3: Sichtbetonfläche mit Brettstruktur Abb : Schalungstypen gemäss Norm SIA 118/262. Schalung Typ 4: Sichtbetonfläche mit Tafelstruktur Abb : Undichter Schalungsstoss. Abb : Hell- / Dunkelverfärbungen (Wolkenbildung). Abb : Horizontale Arbeitsfuge als Scheinfuge mit einer trapez förmigen Kehle ausgebildet. 202 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 203

103 7. Betone für besondere Anwendungen 7.1 Sichtbeton Tab : Sichtbetonklasse SBK 1: Merkmale und Anforderungen. Erläuterung Textur Mindestqualität ohne ausgeprägte Gestaltungsabsicht Beispiel: Kellerwände oder Bereiche gewerblicher Nutzung geschlossene und weitgehend einheitliche Betonoberfläche an Stössen ausgetretener Zementleim bis ca. 10 mm Breite und ca. 5 mm Tiefe zulässig Versatz, Stösse, Grate und Überzähne bis ca. 5 mm zulässig Rahmenabdruck des Schalelementes zugelassen Erläuterung Textur Lunker Farbton Sonderklasse für die Festlegung von Anforderungen an besondere, individuelle Gestaltungsabsichten Beispiel: repräsentative Bauteile im Hochbau Alle Kriterien sind durch den Planer detailliert festzulegen. Tab : Sichtbetonklasse SBK S: Merkmale und Anforderungen. Lunker keine Anforderungen an die Lunkerhäufigkeit Ebenheit Farbton Hell-/Dunkelverfärbungen (Wolkenbildung) zulässig Rost- und Schmutzflecken unzulässig Fugen Ebenheit EH 1 (Abb ) Tab : Sichtbetonklasse SBK 2: Merkmale und Anforderungen. Tab : Sichtbetonklasse SBK 3: Merkmale und Anforderungen. Fugen Erläuterung Textur Lunker Farbton Ebenheit EH 1 (Abb ) Fugen Erläuterung Textur Lunker Farbton Fugen abgedichtet oder Feinmörtelaustritt aus vorhergehendem Betonierabschnitt rechtzeitig entfernen Flächenversatz bis ca. 10 mm zulässig Normale Qualität mit bestimmter Gestaltungsabsicht Beispiel: Treppenhaus, Stützwände glatte, geschlossene und weitgehend einheitliche Betonoberfläche an Stössen ausgetretener Zementleim nicht zulässig feine, technisch unvermeidbare Grate bis zu 3 mm zulässig weitere Anforderungen an Schalungsstösse und Rahmenabdruck detailliert festlegen Anforderung an die Lunkerhäufigkeit ist durch den Planer festzulegen, z. B. 0.5 % bezogen auf die Prüffläche. gleichmässige, grossflächige Hell-/Dunkelverfärbungen (Wolkenbildung) zulässig unterschiedliche Arten und Vorbehandlung der Schalhaut sowie ein Wechsel der Ausgangsstoffe unzulässig abgedichtete Fugen oder Feinmörtelaustritt aus vorhergehendem Betonierabschnitt rechtzeitig entfernen mässiger Flächenversatz bis ca. 5 mm zulässig Kantenschutz (scharfe Kanten) erforderlich Hohe Qualität mit besonders anspruchsvoller Gestaltungsabsicht Beispiel: Fassaden im Hochbau Die Anforderungen sind vom Planer in einem Schalungsmusterplan festzulegen Schalelemente: Grösse und Struktur Fugen: Art und Anordnung Stösse: Anordnung und Dichtigkeit Kanten: Profil, Breite und Verlauf Ankerlöcher: Art, Lage und Verschlussart Festlegung erfolgt durch den Planer, z. B. Lunkerfläche 0.5 % der Prüffläche grossflächige Verfärbungen unzulässig unterschiedliche Arten und Vorbehandlung der Schalhaut sowie ein Wechsel der Ausgangsstoffe unzulässig geringe Hell-/Dunkelverfärbungen z. B. leichte Wolkenbildung, geringe Farbtonabweichungen zulässig Rost- und Schmutzflecke, deutlich sichtbare Schüttlagen sowie Verfärbungen unzulässig Ebenheit EH 2A / 2B (Abb ) Fugen Anforderungen sind durch den Planer festzulegen (siehe Schalungsmusterplan) Betontechnologie Zement Für die Herstellung von Sichtbeton eignen sich alle Zemente, die in der Norm SN EN zugelassen sind. Dennoch bietet sich für Sichtbeton die Verwendung einiger Zementarten aufgrund ihrer speziellen Eigenschaften besonders an. Portlandkompositzemente (z. B. Optimo) verbessern mit einem Anteil an gebranntem Schiefer und Kalkstein das Wasserrückhaltevermögen und vermindern die Entmischungsgefahr. Die günstige Zusammensetzung dieser Zemente reduziert zudem das Risiko von Kalkausblühungen. Weisser Portlandzement (z. B. Albaro) eignet sich besonders gut für helle Bauteile sowie für eingefärbte Betone (Farbbeton). Im Vergleich zu Grauzement können mit der Verwendung von Weisszement saubere, reine Farbtöne (hohe Farbintensität) erzielt werden, v. a. bei schwarz eingefärbtem Beton. Bei Objekten mit den Sichtbetonklassen SBK 2, SBK 3 und SBK S dürfen die Zementart und das Zementwerk über die gesamte Dauer der Betonierarbeiten nicht gewechselt werden, um eine hohe Farbtongleichmässigkeit zu erreichen. Zugabewasser Bei Objekten mit den Sichtbetonklassen SBK 3 und SBK S ist auf die Verwendung von Recyclingwasser für die Herstellung von Sichtbeton zu verzichten bzw. die Verwendung mit dem Bauherrn vorgängig abzustimmen. Gesteinskörnung Die Kornzusammensetzung der Gesteinskörnung sollte einen ausreichend hohen Sandgehalt aufweisen und somit der eines Pumpbetons entsprechen. Insbesondere das Mehlkorn beeinflusst massgeblich die Farbe, das Wasserrückhaltevermögen und die Oberflächenbeschaffenheit. Aus diesem Grund sollte der Mehlkorngehalt für Sichtbeton mindestens den Richtwerten entsprechen, welche in Kapitel 1.3 aufgeführt sind. Bei nachträglich zu bearbeitenden Betonoberflächen beeinflussen die Kornform sowie die Farbe der Gesteinskörnung grösser 4 mm das Erscheinungsbild. Zusatzstoffe Sichtbeton kann durch Pigmente eingefärbt werden (siehe Kapitel 7.1.5). Die Dosierung hängt vom angestrebten Farbton und der gewünschten Farbintensität sowie den eingesetzten Betonkomponenten ab, so dass Vorversuche unbedingt zu empfehlen sind. Pigmente verändern unter Umständen signifikant den Wasseranspruch des Betons aufgrund ihrer hohen spezifischen Oberfläche (siehe Abb ). Konsistenz Sichtbeton wird mit einer Konsistenzklasse C3 / F3 F5 oder selbstverdichtend hergestellt, wobei Betone mit weicher Konsistenz am häufigsten verwendet werden. Die Konsistenz kann den Farbton und die Lunkerbildung beeinflussen. w/z-wert Um einen gleichmässigen Farbton der Betonoberfläche sicher zu stellen, ist es wichtig unter Berücksichtigung der Feuchte der Gesteinskörnung einen konstanten w/z-wert bei allen Lieferungen sicher zu stellen (siehe Kapitel 8.1). Bluten des Betons sollte unbedingt vermieden werden (siehe Kapitel 8.3). Mischen Einbau Verdichten Um Qualitätseinbussen u. a. durch Entmischungen, Farbtonunterschiede oder vorzeitiges Abbinden zu vermeiden, hat sich das Einhalten insbesondere folgender Erfahrungswerte bewährt: Mindestmischzeit (60 Sekunden) präzise Abstimmung von Betonherstellung, Transportzeiten und Einbaugeschwindigkeit Durchmischen des Betons zum Homogenisieren vor dem Entladen (mindestens 2 Minuten pro Fahrmischer) keine nachträgliche Wasserzugabe auf der Baustelle möglichst gleiche Frischbetontemperatur bei allen Lieferchargen Das fachmännische Einbringen des Betons in die Schalung ist eine wichtige Voraussetzung für das Erreichen einer hohen Sichtbetonqualität. Die Fallhöhe ist gegenüber üblichen Normalbetonen zu halbieren (< 70 cm) und die Schüttlagenhöhe beträgt ca cm. Beim Einbau des Betons in mehreren Schichten ist darauf zu achten, 204 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 205

104 7. Betone für besondere Anwendungen 7.1 Sichtbeton dass die Vibriernadel etwa 10 bis 15 cm tief in die bereits verdichtete Schicht eingetaucht wird, damit eine ausreichende Durchdringung der beiden Schichten gewährleistet ist und ein Abzeichnen der einzelnen Lagen auf der Betonoberfläche infolge farblicher Unterschiede vermieden wird (Vernadeln der Schichten, siehe Kapitel 3.5). Schalhauttyp saugend Schalhautmaterial Brettschalung rau oder gehobelt Spanplatten Sperrholz unbehandelt Dränvlies Abb : Trennmittelauftrag mit der Spritzdüse. Nachbehandlung Grundsätzlich gelten bei Sichtbeton die Vorgaben zur Nachbehandlung gemäss der Norm SIA 262. Die Nachbehandlung bei Sichtbeton verfolgt im Wesentlichen zwei Ziele: nicht saugend Sperrholz behandelt Kunststoffbeschichtung Vollkunststoff Stahl Strukturmatrizen Gewährleistung einer gleichmässigen Hydratation in der Betonrandzone für eine hohe Farbtongleichmässigkeit Schutz der Sichtbetonoberfläche und der Anschlussbewehrung vor frühzeitigem, externen Wasserzutritt Bei mehreren Etappen von Sichtbetonbauteilen ist darauf zu achten, dass die Verweildauer des Betons in der Schalung konstant gehalten wird. Im Weiteren sollte das Ausschalen eines Bauteils ohne Unterbruch erfolgen und die einmal ausgeschalten Flächen freigehalten werden (kein Anlehnen von Schalungen), um eine Fleckenbildung zu vermeiden. Bei Sichtbeton haben sich insbesondere folgende Schutzmassnahmen bewährt: Abdecken der ausgeschalten Betonoberfläche mit Folien als Verdunstungsschutz (Verhinderung des Abb : Schutz der Anschlussbewehrung mit Kunststofffolie. direkten Kontakts der Folie mit der Betonoberfläche, Verhinderung einer Kaminwirkung, keine Klebbänder zur Befestigung der Folien) Feuchthalten (Verhinderung von Ausblühungen), aber ohne Kondenswasserbildung Kanten- und Eckenschutz gegen mechanische Beschädigungen Sichtbetonoberflächen nach dem Ausschalen nicht direkt starken Niederschlägen aussetzen oder mit Wasser besprühen sorgfältiges Planen des Wasserabflusses über die Fassadenflächen im bewitterten Aussenbereich und im Bereich der Mauerkrone Umhüllen der überstehenden Bewehrungsstähle (Anschlussbewehrung) mit Folie (Abb ), um die Bildung von Rostfahnen zu verhindern Nachbehandlungsmittel werden für Arbeitsfugen und für Oberflächen, die weiterbehandelt werden sollen oder für Oberflächen mit besonderen Anforderungen an das Aussehen nicht empfohlen Allgemeine Hinweise für das Planen von Sichtbeton Schalhaut Die Schalhaut beeinflusst massgeblich das Erscheinungsbild der Sichtbetonoberfläche (Abb ). Die Schalhauttypen unterscheiden sich grundsätzlich bezüglich Saugverhalten und Oberflächentextur. Eine saugende Schalhaut ermöglicht den Entzug von Luft und/oder Überschusswasser aus der Betonrandzone und fördert die Herstellung von lunkerarmen Oberflächen mit einem gleichmässigen, dunklen Farbton. Eine nicht saugende Schalhaut ermöglicht die Herstellung glatter und heller Oberflächen, begünstigt aber auch die Entstehung von Lunker, Marmorierungen, Wolkenbildungen und Farbtonunterschieden (Tab ). Tab : Schalhauttypen und -material. Trennmittel Trennmittel ermöglichen ein optimales Lösen der Schalung vom Beton und damit eine einwandfreie Abformung der Schalhautoberfläche ohne Schäden an empfindlichen Stellen, wie Kanten und Ecken. Die richtige Wahl und exakte Auftragsmenge des Trennmittels sind für ein gleichmässiges Aussehen und eine geringe Anzahl an Lunker massgeblich (Herstellerangaben beachten). Die Trennmittel dienen zudem der Konservierung und Schonung des Schalmaterials, so dass die Schalung mehrfach verwendet werden kann. Es gibt verschiedene Trennmitteltypen, wie Öle, Wachse und Lacke sowie Emulsionen. Trennmittel können lösemittelfrei oder lösemittelhaltig sein. Während die lösemittelfreien Trennmittel unmittelbar nach dem Auftrag auf die Schalhaut gebrauchsfertig sind, entwickeln die lösemittelhaltigen Produkte und Emulsionen die Trenneigenschaft erst nach dem Ablüften des Lösungsmittels. Die Ablüftzeiten können sich bei tiefen Temperaturen, hohen Luftfeuchtigkeiten und zu dicker Auftragsmenge erheblich verlängern. Trennmittel sind nach dem Auftrag in einem zweiten Arbeitsgang mit einem Gummischaber gleichmässig zu verteilen oder noch besser mit einem Lappen nachzureiben (Abb und ). Grundsätzlich nimmt die erforderliche Auftragsmenge bei nicht saugender Schalhaut stark ab. Der Trennmittelfilm sollte bei nicht saugenden Schalungen möglichst gleichmässig und dünn (ca. 10 ml/m 2 ) aufgetragen werden. Sehr lange Standzeiten einer aufgestellten und mit Trennmittel behandelten Schalung sind zu vermeiden. Zu dick aufgetragenes Trennmittel kann zu Verfärbungen in braun-gelben Tönen (Abb ) und zu einer Lunkeransammlung auf der Betonoberfläche (Abb ) führen (siehe Kapitel 8.1). Letztlich ist das Abstimmung des Trennmittels auf die Schalhaut, den Beton und die Umgebungsbedingungen unerlässlich. Hierbei sind die Empfehlungen der Schalungs- und Trennmittelhersteller zu berücksichtigen. Abb : Gleichmässiges Verteilen des Trennmittels mit dem Lappen. Abb : Verfärbungen durch Trennmittelüberdosierung. Abb : Lunkeransammlung durch Trennmittelüberdosierung. Abb : Zusammenstellung von Sichtbetonoberflächen mit unterschiedlichen Schalhäuten. 206 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 207

105 7. Betone für besondere Anwendungen 7.1 Sichtbeton Verschlusskappe Kunststoff Verschluss mit Reparaturmörtel Abb : Verschlussarten für Ankerlöcher. Schalungsanker Die Anzahl und die Abstände der Schalungsanker richten sich nach dem jeweiligen Schalungstyp und dem zu erwartenden Frischbetondruck auf die Schalung. Der Verschluss der Ankerlöcher ist für das Erscheinungsbild einer Sichtbetonoberfläche wichtig. In der Praxis üblich sind Verschlusskappen, die sowohl oberflächenbündig als auch zurückliegend einsetzbar sind, wenn z. B. ein regelmässiges Ankerbild sichtbar bleiben soll. Alternativ können Ankerlöcher auch mit einem farblich angepassten Mörtel geschlossen werden. Eine aufwendigere Lösung stellt die eigene Herstellung von Verschlussstopfen aus dem gleichen Sichtbeton dar (Abb ). Verschlusskappe Metall Verschlussstopfen aus gleichem Sichtbeton Fugen Sichtbare Fugen auf einer Sichtbetonoberfläche entstehen an Schalhautstössen oder an Arbeits- und Scheinfugen. Die Fugen sind bei normalen Anforderungen so dicht auszubilden, dass nur sehr wenig Zementleim austreten kann. In besonderen Fällen können Schalhautfugen mit Schaumstoff- oder Moosgummistreifen abgedichtet werden. Die Anordnung und Ausbildung von Arbeits- und Scheinfugen sollte zwischen dem Planer und dem Bauunternehmen abgestimmt werden. Eine optische Betonung einer Arbeitsfuge kann durch die Ausbildung einer Kehle vorgenommen werden, welche mit Trapez- oder Dreikantleisten hergestellt werden kann (Abb links und Mitte). Beim Einlegen von Leisten muss aber auf die ausreichende Bewehrungsüberdeckung geachtet werden. Wird keine Kehle geplant, können horizontale Arbeitsfugen mit innen an der Schalung befestigten Vierkantleisten ausgebildet werden (Abb rechts). Die Leiste wird mit dem Entschalen des ersten Betonierabschnitts entfernt und der verbliebende Hohlraum mit dem Beton des zweiten Betonierabschnitts bündig aufgefüllt. Die fertige Sichtbetonfläche weist ein exaktes, oberflächenbündiges Profil auf Erster Betonierabschnitt Zweiter Betonierabschnitt Abb : Ausbildung einer Arbeitsfuge mit Trapezleiste (links), Dreikantleiste (Mitte) und Vierkantleiste und Verfüllung (rechts). Kanten Kanten werden im Allgemeinen durch Dreikantleisten abgefast. Häufig werden auch scharfe, d. h. weder abgefaste noch gerundete Kanten als Gestaltungsmerkmal ausgeschrieben. Scharfe Kanten und Ecken können trotz sorgfältiger Ausführung ausbrechen. Bei scharfen Kanten neben begehbaren Bereichen sind die Verletzungsgefahr der Passanten und die Beschädigungsgefahr des Sichtbetons zu bedenken. Wichtig für die Ausführung von scharfen Kanten sind eine steife Schalung, eine passgenaue Schalhaut und eine zusätzliche Abdichtung der Schalhautstösse. Dem Kantenschutz muss nach dem Ausschalen bis zum Ende der Bauarbeiten vermehrt Beachtung geschenkt werden (Abb ). Distanzhalter Distanzhalter sichern die erforderliche Bewehrungsüberdeckung zwischen Schalung und äusserer Bewehrungslage. Sie sind in Abhängigkeit des herzustellenden Bauteils (Decke, Wand) zu wählen. Die Auf stands fläche auf der Schalung sollte möglichst klein sein. Die Erkennbarkeit an der Betonoberfläche lässt sich minimieren, wenn die Distanzhalter und der umgebende Beton aus dem gleichen Material bestehen. Zementgebundene Distanzhalter sind unmittelbar vor dem Schliessen der Schalung und dem Einbau des Betons gründlich vorzunässen. Distanzhalter aus Kunststoff sollten nicht für Sichtbeton verwendet werden Abb : Kantenschutz bei einem Wandabschnitt. (Quelle: Conzett Bronzini Gartmann AG, Chur). Witterung Die Witterung während der Bauphase und in der Nutzungsphase beeinflusst das Erscheinungsbild des Sichtbetons. Ungünstige Umgebungsbedingungen während der Austrocknung des jungen Betons (z. B. grosse Temperaturunterschiede zwischen Tag und Nacht, starke Wechsel der Luftfeuchtigkeit, Morgentau, Raureif) können das optische Erscheinungsbild der Sichtbetonflächen trotz hohem planerischem und ausführungstechnischem Aufwand massgeblich beeinträchtigen. Insbesondere bei der Herstellung von Sichtbeton unter winterlichen Bedin - g ungen können aufgrund der langsamen Hydratation des Betons bei tiefen Temperaturen fleckige Hell-Dunkel- Verfärbungen und Ausblühungen (siehe Kapitel 8.1 und 8.3) auf treten. Für die Nutzungsphase ist vor allem bei Sichtbetonflächen im Aussenbereich mit direkter Bewitterung eine sorgfältige Planung der Niederschlagsentwässerung notwendig, um Verschmutzungen und Bewuchs gering zu halten und ein langfristig ebenmässiges Aussehen zu gewährleisten. Die wichtigsten Einflussgrössen auf die Entwässerung und Verschmutzung sind: Ausrichtung der Fläche (Wetterseite, wetterabgewandte Seite, Besonnung, Wind, Bauteilhöhe) Neigung der Fläche (senkrecht, nach innen geneigt, nach aussen geneigt) Textur (Oberflächenbeschaffenheit rauh oder glatt) Wasseraufnahme des Betons (Porosität) Musterflächen Die Musterflächen sollten die typische Bauteilgeometrie, Bewehrungsüberdeckung, -grad und -verteilung, Einbauteile, Einbauverfahren und die zum Einsatz kommende Betonzusammensetzung berücksichtigen. Die Herstellung von Musterflächen dient folgenden Zwecken: Herstellung von Betonflächen unter gegebenen Bauwerks- und Baustellenbedingungen Festlegung und Optimierung des erforderlichen Aufwandes, Einweisung und Schulung des Personals praktische Darstellung von Ausführungsdetails, u. a. der Farbe, Textur etc. Festlegung des vertraglich zu vereinbarenden Erscheinungsbildes mit dem Auftraggeber Das Erstellen von Musterflächen wird für die Sichtbetonklasse SBK 2, vor allem jedoch für die Sichtbetonklasse SBK 3, gemäss Merkblatt für Sichtbetonbauten dringend empfohlen. Für die Sichtbetonklasse SBK S werden nur Musterflächen erstellt, falls dies der Planer vorgibt. Für die Sichtbetonklasse SBK 1 sind keine Musterflächen notwendig. In der Regel werden für das Erstellen von Musterflächen untergeordnete Bauteile wie Kellerwände genutzt oder Bauteile, an welche keine Anforderungen an die Sichtbetonqualität gestellt sind. Beurteilung Der Massstab für die Beurteilung von Sichtbeton ist die Festlegung der Sichtbetonoberflächen gemäss der Ausschreibung. Folgende Aspekte sollten bei der Beurteilung beachtet werden: zeitlich ausreichender Abstand zum Ausschalungszeitpunkt, da sich das Aussehen der jungen Betonoberfläche noch ändern kann Oberflächen sind nicht toleranzfrei reproduzierbar, da die Schwankungen der natürlichen Ausgangsstoffe, die zulässigen Abweichungen in der Betonzusammensetzung und die Auswirkungen von Schalhaut, Trennmittel und Witterungsbedingungen keine vollkommen gleichmässigen Oberflächenergebnisse zulassen geringe Unterschiede und Unregelmässigkeiten der Textur und des Farbtons lassen sich kaum vermeiden (Witterung, Personalwechsel, Verzögerungen beim Einbringen, Einlagen von Dritthandwerkern, etc.). Bei der Beurteilung steht generell der Gesamteindruck vor dem Einzeleindruck. Bei einer praktischen Beurteilung ist darauf zu achten, dass nachfolgende Kriterien erfüllt sind: üblicher Betrachterabstand des Nutzers zum Bauwerk bzw. Bauteil wesentliche Bauwerksmerkmale werden erfasst (repräsentative Flächen) die Gestaltungsmerkmale sind erkennbar normale Tageslichtverhältnisse und Lichteinfall Alter der beurteilten Fläche (mindestens 28 Tage zwischen Ausschalen und Beurteilung aufgrund der farblichen Veränderung der Sichtbetonoberfläche). 208 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 209

106 7. Betone für besondere Anwendungen 7.1 Sichtbeton Spezielle Hinweise für das Planen von Sichtbeton Oberflächengestaltung Betonoberflächen können neben der Schalhaut als Gestaltungsmittel und der Anordnung der Fugen und Schalungsanker mit anderen Mitteln weiter gestaltet werden: Matrizen Oberflächenbearbeitung Fotobeton Farbbeton Matrizen Eine besondere architektonische Wirkung kann durch den Einsatz individuell gestalteter Strukturmatrizen (Abb ) erzielt werden, die in die Schalung eingelegt werden. Dabei reichen die Gestaltungsmöglichkeiten der Oberflächen von einer sägerauen Brettschalung bis zur Erstellung von Bildern durch die Schattenwirkung der Oberfläche. Fotobeton Fotobeton ist eine besondere Form von Sichtbeton. Mit speziellen Verfahrenstechniken (Fotolith-Verfahren, computergestützten Vectogramm-/Frästechnik) kann die Betonoberfläche mit einer dauerhaft bildlichen Darstellung von Fotos und anderen Motiven versehen werden. Bei dem Fotolith-Verfahren wird das Foto, welches auf den Beton übertragen werden soll, in eine gerasterte Schwarz-Weiss-Vorlage umgewandelt und per Siebdruckverfahren auf eine millimeterdicke Kunststofffolie gedruckt. Statt Farbe wird dabei ein Abbindeverzögerer in unterschiedlich dicken Schichten aufgetragen. Die Foto betonfolie wird in die Betonschalung eingelegt und mit dem Beton übergossen. Der Abbindeverzögerer bewirkt, dass der Beton an verschiedenen Stellen unterschiedlich schnell aushärtet. Nach 16 bis 24 Stunden kann das Betonteil entschalt und mit niedrigem Wasserdruck gewaschen werden. Dadurch entstehen raue und glatte Flächen mit Hell-Dunkel-Verläufen. Die hellen Bereiche des Motivs bleiben glatt, die dunklen werden ausgewaschen. Die Vectogrammtechnik ist ein Verfahren, bei dem Bildinformationen mittels einer Frästechnik auf ein Modell übertragen werden. Dieses Modell dient dann als Vorlage zum Fertigen einer Gussform des Fotobetonobjekts. Es können mit dieser Technologie unbegrenzt große Bilder hergestellt werden. Nach der Entschalung ist im Beton aus der Nähe eine Struktur aus Graten sichtbar, die sich erst aus einer bestimmten Entfernung durch die Lichtund Schattenwirkung zu einem gesamten Bild zusammenfügt. Oberflächenbearbeitung Bei der Oberflächenbearbeitung mit Wasser, Chemikalien oder mechanisch ist prinzipiell darauf zu achten, dass die geforderte Bewehrungsüberdeckung auch nach der Bearbeitung noch eingehalten wird (Tab und 7.1.8). Abb : Oberflächengestaltung mit Matrizen (oben), Ornamente/Schnitzereien (unten). Verfahren Sandstrahlen Beschreibung Die Bearbeitung durch Sandstrahlen ergibt eine ähnliche Oberfläche wie das Feinwaschen, allerdings werden hier auch die Gesteinskörner angeraut und verlieren dadurch ihren Glanz. Die Oberfläche wirkt matt und rau. Je nach Wunsch kann die Abtragtiefe variieren. Tab : Verfahren zur mechanischen Bearbeitung von Betonoberflächen. Tab : Verfahren zur Bearbeitung von Beton oberflächen mit Wasser und Chemikalien. Verfahren Feinwaschen Beschreibung Der Zementstein wird an der Betonoberfläche des jungen Betons 1 bis 2 mm tief abgetragen. Hergestellt wird diese Oberfläche durch Abtrag des Zementleims mit Wasserstrahl. Gegebenenfalls kann auf die Oberfläche vorgängig eine Verzögerungs paste aufgetragen worden sein. Je nach Tiefe des Abtrags beeinflussen Zementstein und Gesteinskörnung die Färbung. Schleifen Wird die Oberfläche nur ganz leicht angeschliffen, so dass die Gesteinskörner kaum sichtbar werden, dominiert die Farbe des Zements. Wird so weit abgeschliffen, bis die Gesteinskörner gut sichtbar werden, dominiert die Gesteinsfarbe. Die Oberfläche wird in beiden Fällen sehr glatt und glänzend. Zusätzliches Polieren verstärkt diesen Oberflächenglanz noch deutlich. Grobwaschen Das Grobkorn der Gesteinskörnung wird nahezu bis zur Hälfte freigelegt, d. h. mehr als 2 mm Tiefe. Dadurch entsteht eine sehr raue, grobe Oberfläche, die auch als Waschbeton bezeichnet wird. Hergestellt wird diese Oberfläche durch Aufbringen einer Ver zögerungs paste auf die Betonoberfläche und den Abtrag der verzögerten Schicht mit Wasserstrahl. Es dominiert die Farbe und Form der Gesteinskörnung. Stocken Mit einem speziellen Stockhammer wird die Betonoberfläche grob abgetragen, wodurch ein rauher, natursteinähnlicher Effekt entsteht. Absäuern Durch das Abtragen der Zementhaut des erhärteten Betons mit einer Säure wird das Gesteinskorn leicht freigelegt. Das Erscheinungsbild der Oberfläche wirkt je nach Abtragtiefe und Säureempfindlichkeit der Gesteinskörnung etwas rau. Spitzen und Bossieren Beim Spitzen wird die Betonoberfläche ungleichmässig stark mit diversen Meisseln und Hämmern abgetragen. Es entsteht eine sehr grobe Oberfläche. Bossieren entspricht dem Verfahren des Spitzens, erzeugt aber deutlich grössere Abtragtiefen. Druckwasserstrahlen Das Bearbeiten der abgebundenen Festbetonoberfläche erfolgt mit einem Wasserstrahl Niederdruck-Wasserstrahlen: MPa ( bar) Hochdruck-Wasserstrahlen: MPa ( bar) Höchstdruck-Wasserstrahlen: > 170 MPa (> 1700 bar) Je nach Intensität der Wasserstrahlbehandlung entstehen unterschiedlich raue Oberflächen. Scharrieren Mit einem Scharriereisen wird die Betonoberfläche linienförmig abgetragen. Zementstein und Gesteinskörnung bestimmen den Farbeffekt. 210 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 211

107 7. Betone für besondere Anwendungen 7.1 Sichtbeton Abb : Farbbeton mit unterschiedlichen Pigmenten und mit Weisszement. Abb : Feuerwehrgebäude aus rot eingefärbtem SCC. Farbbeton Üblicherweise wird ein Farbbeton mit einem Weisszement hergestellt, der durch die Zugabe von Pigmenten eingefärbt werden kann (Abb und ). Die Farbgebung wird zusätzlich durch den Einsatz farbiger Gesteinskörnungen, welche vor allem bei einer nachträglichen Oberflächenbearbeitung zur Geltung kommen, unterstützt. Betone aus Grauzementen lassen sich ebenfalls einfärben, wirken aber nicht so klar und leuchtend. Die Farbintensität ist abhängig von der Dosierung und Qualität der Pigmente. Um einen möglichst intensiven Farbton zu erreichen, sind die Pigmente bis zu ihrer Farbsättigung zu dosieren (Pigmentgehalt ca M.-% bezogen auf den Zementgehalt). Die Farbe kann als Granulat, pulverförmig oder flüssig zugegeben werden. Bei der Verwendung von Farbbeton wird empfohlen, die Oberflächen nachträglich mit einer Hydrophobierung zu behandeln. Oberflächenschutz Die Oberfläche des Sichtbetons kann gegen Umge bungseinflüsse (z. B. Witterung) und Beschädigungen (z. B. Graffiti) durch unterschiedliche Oberflächen - schutz systeme geschützt werden. In der Praxis übliche Schutzsysteme sind u. a. Hydrophobierung, Transparente Ver siegelung und Betonlasur, Graffitischutz. Hydrophobierung Die Hydrophobierung ist eine Schutzbehandlung einer Betonoberfläche, um den Transport von Wasser und darin gelösten Salzen in das Betongefüge bzw. von gelösten Mineralien (Calciumhydroxid) aus dem Porensystem an die Beton oberfläche zu verringern. Die Diffusionsfähigkeit des Betons bleibt fast vollständig erhalten. Hydrophobierungen für Beton bestehen aus Silanen und Siloxanen, die mehrere Millimeter in das Porengefüge eindringen, jedoch keinen Oberflächenfilm bilden und die Poren nicht verfüllen. Die Oberflächenstruktur nicht verändert. Eine farbliche Gestaltung wird nicht erzielt. Der Glanzgrad und die Helligkeit des Untergrundes kann leicht verändert werden. Es wird empfohlen bei eingefärbten und insbesondere bei dunklen Betonen, die der Witterung aus gesetzt sind, eine hydrophobierende Imprägnierung aufzubringen, um die Ausblühneigung zu vermindern. Dabei sollte eine Musterfläche angelegt werden. Junger Beton kann frühestens nach 28 Tagen hydrophobiert werden. Transparente Versiegelung und Betonlasur Die transparente Versiegelung und die Betonlasur sind ebenfalls Schutzbehandlungen für eine Betonoberfläche. Im Gegensatz zur Hydrophobierung bildet sich ein mehr oder weniger durchgehender Film auf der Oberfläche und die Poren werden teilweise bis ganz gefüllt. Die Schicht dicke liegt je nach Auftragsmenge zwischen 10 µm und 100 µm. Es entsteht jedoch kein durchgehender Film wie bei einer Beschichtung. Als Folge ist die Schutzwirkung gegenüber Wasser und Gasen besser und dauerhafter als bei einer Hydrophobierung. Ausblühungen, witterungsbedingte Substanzverluste und biogene Besiedlungen der Betonoberfläche (Algen, Flechten, Moose usw.) werden weitestgehend verhindert. Eine transparente Versieglung besteht aus einem farblosen, wässrigen Anstrich auf Acrylbasis, der in mehreren Arbeitsgängen aufgebracht werden kann. Auf der Betonoberfläche appliziert und erhärtet, erscheint sie transparent und mattglänzend. Der Untergrund wird leicht aufgehellt. Anstrich mit einer transparenten Versiegelung empfohlen, um Pigmentanhäufungen zu vermeiden. Für die Schutzsysteme sollte eine Musterfläche angelegt werden. Junger Beton kann frühestens nach 28 Tagen mit einer transparenten Versiegelung oder Betonlasur behandelt werden. Graffitischutz Graffiti sind mit Spraydosen aufgetragene Bilder auf Wandflächen. Unbewilligt angebracht, stellen sie seit Jahren eine massive Schädigung von Gebäudeflächen dar. Aufgrund der Farbzusammensetzung können sie nicht einfach überstrichen werden. Das stellt besonders für Sichtbetonflächen einen grossen Nachteil dar. Bei der Graffitiprophylaxe wird zwischen Opfer- und Nicht- Opfersystemen unterschieden. Opfersysteme sind Beschichtungen auf Basis von Wachsen, die auf Oberflächen aufgetragen werden und eine einfachere Reinigung ermöglichen. Die in Anspruch genommene Fläche wird beim Reinigungsvorgang jedoch mit entfernt und muss danach wieder neu aufgetragen werden. Nicht-Opfersysteme sind Graffitischutzsysteme, die trotz Reinigungsprozedur auf der Oberfläche bestehen bleiben, ohne ihre Funktionalität einzubüssen. Diese sogenannten permanenten Systeme können Imprägnierungen auf Basis von Silanen und Siloxanen oder Polyurethanen sein. Graffitischutzsysteme ändern in der Regel die Eigenschaften der Sichtbetonoberfläche (Abb ). Die Auswirkungen auf Oberflächenbeschaffenheit, Farbe, Glanz, Wasseraufnahme und -abgabe, ist vom spezifischen Betonuntergrund und dem Graffitischutzsystem abhängig. Es wird dringend empfohlen, Musterflächen anzulegen und sich Referenzobjekte zeigen zu lassen. Betonkosmetik Es kann bei der Ausführung von Sichtbetonflächen trotz grösster Sorgfalt zu einer Abweichung von der ursprünglich geplanten Qualität kommen. Mangelhafte Sichtbetonflächen können häufig ausgebessert werden. Dies kann durch Reinigen, Schleifen, Abschlämmen, Grob- und Feinspachteln oder Lasieren zum Beseitigen von Farbunterschieden und Verfärbungen geschehen. Prinzipiell wird empfohlen Musterflächen anzulegen. Ausbesserungsstellen können auch bei grösstem handwerklichen Geschick als solche erkennbar bleiben. Es ist deshalb sorgfältig zu prüfen und abzuwägen, ob eine Ausbesserung in jedem Fall sinnvoll ist. Abb : Der Graffitischutz im unteren Bereich der Wand wirkt sich auf die Farbe der Beton oberfläche aus. Bei einer Betonlasur wird der transparenten Versiegelung eine Pigmentierung von 2 bis 8 % zugegeben. Je nach Grad der Pigmentierung ist die Betonlasur farbgebend. Durch den lasierenden Effekt bleibt die Farbgebung des Untergrundes sichtbar. Bei der Betonlasur wird ein erster 212 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 213

108 7. Betone für besondere Anwendungen 7. Betone für besondere Anwendungen 7.2 Hochfester Beton 7.2 Hochfester Beton Konformitätsnachweis In der Norm SN EN 206-1, informativer Anhang H, sind zusätzliche Vorschriften für hochfesten Beton aufgeführt, welche Hinweise für eine geeignete Überwachung der Ausgangsstoffe, der Produktionsanlage und der Herstellung zusammenfasst. Für die Überwachung und den Nachweis des hochfesten Betons gelten dieselben Regeln wie für normalfeste Betone. Nicht zulässig ist jedoch die Bildung von Betonfamilien (siehe Kapitel 2.2.2). Abb : Bruchbilder von normalfestem Beton (oben) und hochfestem Beton (unten) Einleitung Normative Anforderungen Betontechnologie Hochfeste Betone in Form von schlanken Stützen werden häufig im Wohn- und Gewerbebau eingesetzt. Durch die Wahl von geeignetem Zement, Zusatzstoffen und hochwertiger Gesteinskörnung, der Optimierung des ganzen Betongefüges sowie sehr geringen w/z-werten von etwa 0.25 bis 0.40 können hohe Druckfestigkeiten von 80 bis 130 N/mm 2 erreicht werden. Das daraus resultierende dichte Betongefüge mit geringem Kapillarporenanteil führt zur hohen Druckfestigkeit des Betons. Leistungsfähige Fliessmittel gewährleisten auch bei geringen Wassergehalten des Betons eine gute Verarbeitbarkeit. Die Vorteile von hochfestem Beton sind: hohe Druckfestigkeit ermöglicht Bauteile mit geringen geometrischen Abmessungen Reduktion des Bewehrungsgehaltes möglich für Druckelemente In der Schweiz findet hochfester Beton vorrangig Verwendung im Fertigelementbau. Dabei werden deutlich geringere Bauteilabmessungen und in der Folge reduzierte Transportkosten von Stützen, Wandelementen und Masten (Abb ) erreicht. Die höhere Dichtigkeit des Betons und der Widerstand gegen mechanische und chemische Einflüsse wird für Elemente von Brücken, Schutzbauwerken und Kraftwerken vorteilhaft genutzt (Abb ). Anwendungen als Transportbeton finden sich vereinzelt für Ortsbetonstützen oder für vorgespannte Brückenplatten zur Querschnittsreduzierung der Bauteile. Ausschreibung Hochfester Beton unterliegt den Anforderungen der Norm SN EN Dabei wird zwischen hochfestem Beton der Festigkeitsklassen C 55/67 bis C 100/115 und hochfestem Leichtbeton der Klassen LC 55/60 bis LC 80/88 unterschieden. In Tabelle sind nur die hochfesten Normalbetone aufgeführt, weil hochfeste Leichtbetone in der Schweiz bislang nicht eingesetzt werden. Die nachfolgenden Ausführungen beziehen sich deshalb einzig auf hochfeste Normalbetone. Druckfestigkeitsklasse charakteristische Zylinderdruck festigkeit [N/mm 2 ] charakteristische Würfeldruckfestigkeit [N/mm 2 ] C55/ C60/ C70/ C80/ C90/ C100/ Tab : Druckfestigkeitsklassen von hochfestem Beton nach Norm SN EN Zement Von allen zugelassenen Zementen eignen sich diejenigen mit der Festigkeitsklasse 52,5 N oder R besonders für hochfesten Beton. Die Zementgehalte liegen üblicherweise zwischen 380 kg/m 3 und 450 kg/m 3 bei vibrierten Betonen mit einem Grösstkorn von 16 mm. Aufgrund des geringen Wassergehaltes kann ein signifikanter Anteil des Zementes nicht hydratisieren und verbleibt als chemisch reaktiver Füller im Gefüge. Zugabewasser Für hochfeste Betone ist die Verwendung von Restwasser nicht empfohlen, da die Feinststoffe und Restmengen verschiedener Zusatzmittel den Wasseranspruch und damit die Konsistenz beeinflussen können. Weist das Restwasser nur geringe Restwasserdichten auf und unterliegt nur geringen Schwankungen, kann eine Verwendung ohne Nachteile möglich sein. Gesteinskörnung Beim normalfesten Beton findet das Versagen unter Druckbelastung infolge Querdehnung stets in der Kontaktzone zwischen Gesteinskorn und Zementstein sowie im Zementstein statt. Im hochfesten Beton wird die hohe Druckfestigkeit vor allem durch die Verbesserung dieser Kontaktzone zwischen Zementstein und Gesteinskörnung, durch den geringen w/z-wert und der entsprechend geringen Porosität, erreicht (siehe Kapitel 2.1.3). Dies gilt grundsätzlich für runde und gebrochene Gesteinskörnung und wird im Bruchbild hochfester Betone deutlich sichtbar. Der Bruch verläuft hier nicht mehr hauptsächlich in der Kontaktzone entlang der Gesteinskörnung, sondern durch das Gesteinskorn (Abb ). Bei Festigkeitsklassen > C80/95 empfiehlt sich die Verwendung von Hartgesteinen im Kies ab 4 mm. Dazu zählen Kieselkalke, kieselige Sandsteine, dichte feinkörnige Kalke, feinkörnige kristalline Gesteine und Grüngesteine. Das Grösstkorn von hochfestem Beton wird in der Regel auf 16 mm (bei Splitten 22 mm) begrenzt. Bei sehr hohen Bewehrungsgehalten kann das Grösstkorn auf 8 mm, bei gebrochenem Korn auf 11 mm herabgesetzt werden. Zusatzmittel Zur Gewährleistung einer verarbeitungsfähigen Konsistenz trotz des geringen Wassergehaltes werden Fliessmittel mit hoher Verflüssigungswirkung, z. B. Polycarboxylate verwendet. Für die Herstellung von hochfestem Beton in der Vorfabrikation werden diesen Fliessmitteln noch beschleunigende Komponenten zugesetzt, die ein frühes Ausschalen und Nachbearbeiten (Glätten nicht geschalter Flächen) erlauben. Im Wesentlichen wird der Wasseranspruch eines Korngemisches durch den Sand bestimmt. Um den gewünschten tiefen Wassergehalt im hochfesten Beton zu erreichen, sollte der verwendete Sand deshalb neben einer stetigen Korngrössenverteilung einen geringen Gehalt an Feinanteilen sowie eine hohe Gleich mässigkeit aufweisen. Auf Brechsand sollte wegen des er höhten Wasseranspruches weitgehend verzichtet und der Anteil an ungeeigneten Bestandteilen auf maximal 3 M.-% begrenzt werden. Abb : Ovale Hochbaustützen, Druckfestigkeitsklasse C80/95. Abb : Brückenelemente, Druckfestigkeitsklasse C80/ Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 215

109 7. Betone für besondere Anwendungen 7.2 Hochfester Beton Zusatzstoffe Inerte Zusatzstoffe eignen sich wegen ihres hohen Wasseranspruchs nicht für die Herstellung von hochfestem Beton. Von den reaktiven Zusatzstoffen kommen hauptsächlich Silikastaub und Flugasche zur Anwendung. Etwa ab einer Festigkeitsklasse C70/85 wird hochfestem Beton Silikastaub zugesetzt. Er verdichtet das Zementsteingefüge, insbesondere in der Kontaktzone zwischen Zementstein und Gesteinskörnung (siehe Kapitel 2.1.3). Die Dosierung von pulverförmigem Silikastaub ist aufgrund seiner Feinheit und Neigung zur Agglomeration und der Gefahr einer AAR nicht unbedenklich (siehe Kapitel 6.4). Daher sollte bevorzugt Portlandsilikastaubzement (z. B. Fortico 5R) verwendet werden. Durch die gemeinsame Vermahlung von Zementklinker und Silicastaub können eine gleichmässige Dosierung, Verteilung, Homogenität und damit ein wirksamer Aufschluss gewährleistet werden. Flugasche wird wegen des geringen Wasseranspruches als Zementersatz bei hochfestem selbstverdichtenden Beton verwendet. Auch für hochfesten Beton mit geringer Hydratationswärmeentwicklung kann der Einsatz von Flugasche vorteilhaft sein. Herstellung Da der Sand den höchsten Feuchtigkeitsgehalt aufweist, muss dessen Wassergehalt genau bestimmt und zusammen mit dem Wassergehalt der groben Gesteinskörnung beim Zugabewasser berücksichtigt werden. Wegen der geringen Wassermenge und der längeren Aufschlusszeit des Fliessmittels wird eine leicht verlängerte Mischzeit empfohlen, d. h. abhängig von der Mischintensität mindestens 90 Sekunden, bei hochfestem SCC mindestens 120 Sekunden. Konsistenz Transport Einbau Hochfester Beton im Transportbetonwerk wird in der Regel in plastischer bis weicher Konsistenz, Konsistenzklasse C3, hergestellt und ist deutlich thixotroper als normalfester Beton. Deshalb benötigt er einen höheren Aufwand beim Einbringen, Verteilen und Verdichten (doppelte Verdichtungsdauer). Soll hochfester Beton, insbesondere solcher mit erhöhten Splittanteilen, gepumpt werden, reduziert sich die Pumpleistung wesentlich. Die möglichen Fördermengen sind ggf. zu halbieren. In der Vorfabrikation wird hochfester Beton meist als SCC hergestellt, wodurch Mehraufwendungen für Einbau und Verdichtung entfallen. Hochfester Beton musss in Fahrmischern transportiert werden. Diese sind vor der Beladung auf Spülwasserreste zu kontrollieren und ggf. nochmals zu entleeren. Vor der Entladung den Betons auf der Baustelle sollte hochfester Beton nochmals mindestens 2 Minuten durchgemischt werden. Nachbehandlung Für hochfeste Betone sollte unabhängig von den vorgesehenen Expo sitionsklassen mindestens die Nachbehandlungsklasse NBK 3 gewählt werden. Die Massnahmen zum Schutz des Betons müssen jedoch unbedingt unmittelbar nach der Fertigstellung der Beton oberfläche beginnen, da durch den niedrigen Wassergehalt im Beton ein erhöhtes Risiko von vorzeitigem Wasserentzug in der Betonrandzone besteht. So können flächige Bauteile mit feuchten Jutebahnen und einer darüber liegenden Folie vor dem Austrocknen geschützt werden. Massige Bauteile müssen sowohl vor Austrocknung als auch vor Auskühlung geschützt werden, um Risse aus Temperaturspannungen zu vermeiden (Abb ). Dazu können zusätzlich zur Folie noch Wärmedämmmatten aufgelegt werden. Bei geschalten Elementen im Elementbau übernimmt die Schalung den Schutz des Betons. Abb : Hochfester Beton der Druckfestigkeitsklasse C80/95 in massigen Steinschlagwürfeln, oben Nachbehandlung mit Wärmedämmmatten und unten vor dem Einsatz zur Prüfung von Steinschlagschutznetzen Hinweise für das Planen von hochfestem Beton Bemessung In der Norm SIA 262 Betonbau sind die Grundlagen der Bemessung von Tragwerken aus Beton festgelegt, die auch für hochfesten Beton gelten. Hochfester Beton weist neben der hohen Druckfestigkeit auch eine höhere Zugfestigkeit und einen höheren E-Modul auf. Richtwerte sind in der Norm SN EN (Eurocode 2) zu finden. In Tabelle sind die wichtigsten Kennwerte aufgeführt. h = 0.72m normalfester Beton mit Druckfestigkeitsklasse C25/30 b = 0.72 m Längsbewehrung Bügelbewehrung 12, s 1 = 125 mm hochfester Beton mit Druckfestigkeitsklasse C70/85 h = 0.54 m b = 0.54 m Längsbewehrung Bügelbewehrung 12, s 1 = 90 mm h' = 0.65m (statische Höhe) h' = 0.47m (statische Höhe) Abb : Querschnitt einer Stütze aus hochfestem und normalfestem Beton. Druckfestigkeitsklasse Mittelwert der Zylinderdruckfestigkeit f cm [N/mm 2 ] Die in Tabelle aufgeführten E-Moduli gelten für hochfeste Betone mit Alluvialkiesen. Bei anderen Gesteinsarten sind die Rechenwerte anzupassen. In Abbildung ist ein Vergleich für eine Stützenbemessung mit hochfestem Beton und normalfestem Beton schematisch dargestellt. Mit hochfesten Betonen sind Bauteile mit geringen geometrischen Abmessungen oder mit reduzierter Längsbewehrung möglich. Schwinden und Kriechen Das zeitabhängige Verformungsverhalten von hochfestem Beton wird durch das verringerte Porenvolumen, den höheren E-Modul und der erhöhten Dichtigkeit beeinflusst. Die wesentlichen Veränderungen gegenüber normalfestem Beton sind: das autogene Schwinden ist wesentlich höher das Trockenschwinden nimmt mit zunehmender Festigkeit deutlich ab die Kriechverkürzung nimmt mit zunehmender Festigkeit ab, der Endwert wird in kürzerer Zeit erreicht Das Gesamtschwinden von hochfestem Beton ist aufgrund des hohen autogenen Schwindens anfangs höher als bei normalfestem Beton. Aufgrund des geringeren Trockenschwindens ergibt sich jedoch insgesamt ein geringeres Endschwindmass gegenüber normalfestem Beton (siehe Kapitel 3.8.4). Der im hochfesten Beton deutlich beschleunigte Erhärtungsfortschritt führt auch zu einer sehr schnellen Freisetzung der Hydratationswärme. Bei verformungsbehindert gelagerten Beton bauteilen überlagert sich im jungen Alter die Zwangs beanspruchung infolge Hydratationswärme mit dem autogenen Schwinden. Daher weist hochfester Beton im Vergleich zum normalfesten Beton eine höhere Rissneigung im jungen Alter auf. Mittelwert der zentrischen Zugfestigkeit f ctm [N/mm 2 ] Rechenwert für Elastizitätsmodul E cm [N/mm 2 ] C55/ C60/ C70/ C80/ C90/ Tab : Mechanische Eigenschaften hochfester Betone. Analytische Beziehung Gl Gl Gl mit k E = Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 217

110 7. Betone für besondere Anwendungen 7.2 Hochfester Beton Brandeinwirkung Das Verhalten von hochfestem Beton unter Brandeinwirkung unterscheidet sich von dem eines normalfesten Betons. In Brandversuchen zeigen hochfeste Betone eine Neigung zu Betonabplatzungen. Ursache dieses Verhaltens ist das deutlich verringerte Transportvermögen für Wasserdampf in dem sehr dichten Gefüge. Bei der Erwärmung über 100 C wird das physikalisch und chemisch gebundene Wasser freigesetzt und verdampft. Dieser Dampfdruck führt zu grossen Zugspannungen im Bauteil und kann Abplatzungen verursachen. Deshalb wird in der Norm SIA 262 als besondere Massnahme die Zugabe von Polypropylenfasern (PP) empfohlen. Diese PP-Fasern schmelzen bei ca. 170 C und bilden Dampfentlastungskanäle im Betongefüge, so dass das Abplatzen wirkungsvoll vermieden werden kann. Dazu wird für jeden hochfesten Beton sowohl der geeignete Fasertyp als auch die richtige Fasermenge bestimmt (Abb und 7.2.7). 7.3 Ultrahochleistungs-Faserbeton Abb : Tübbing aus hochfestem Beton ohne PP-Fasern nach Brandversuch. (Quelle: Gesellschaft für Materialforschung und Prüfungsanstalt für das Bauwesen, Leipzig mbh). Abb : Tübbing aus hochfestem Beton mit PP-Fasern nach Brandversuch. (Quelle: Gesellschaft für Materialforschung und Prüfungsanstalt für das Bauwesen, Leipzig mbh). Zement Dichte [kg/dm 3 ] Die Wirksamkeit von besonderen Massnahmen (Verwendung von PP-Fasern) muss in Brand-Prüfungen nachgewiesen werden. Wird die Bemessung nach der Norm SN EN (Eurocode 2) durchgeführt, können alternativ zur Verwendung von PP-Fasern für die Versagensart Abplatzen des Überdeckungsbetons, Verbundversagen oder Ausknicken der Druckbewehrung, auch konstruktive Massnahmen ergriffen werden. Dazu zählen die Erhöhung der Bewehrungsüberdeckung, die Beschichtung des Bauteils mit einem Brandschutzmörtel oder die zusätzliche Bewehrung des Überdeckungsbetons. Sie sind jedoch in der Praxis schwierig umzusetzen und deshalb weniger üblich als die Zugabe von PP-Fasern. Betonzusammensetzung Die Zusammensetzung hochfester Betone unterscheidet sich in Abhängigkeit von den gewünschten Frisch- und Festbetoneigenschaften (SCC, Sichtbetonelemente, usw.). In Tabelle sind typische Betonzusammensetzungen für vibrierten hochfesten Beton, hochfesten SCC und hochfesten Beton mit geringer Hydratationswärmeentwicklung aufgeführt. Hochfester Beton C55/67 Hochfester Beton C80/95 SCC Hochfester Beton C95/105 Anteil [M.-%] Menge [kg/m 3 ] Volumen [l/m 3 ] CEM I 52,5 R (Normo 5R) CEM II/A-D 52,5 R (Fortico 5R) Anteil [M.-%] Menge [kg/m 3 ] Volumen [l/m 3 ] Anteil [M.-%] Menge [kg/m 3 ] Volumen [l/m 3 ] Zusatzstoff Flugasche Gesteinskörnung Sand 0/4 Kies 4/8 Kies 8/16 Hartgestein-Splitt 4/8 Hartgestein-Splitt 8/ Wasser Luft Einleitung Ultrahochleistungs-Faserbeton (UHFB), auch Ultra high performance concrete (UHPC) genannt, ist ein Beton, der sich von normal- und hochfesten Betonen durch seine Zusammensetzung, das Grösstkorn, den Fasergehalt, den w/z-wert und seine Eigenschaften deutlich abgrenzt. Charakteristisch sind die sehr hohe Druckfestigkeit von mehr als 150 N/mm 2 und der geringe w/z-wert unter Durch die Zugabe eines sehr hohen Faseranteils in einem Bereich von 1 5 Vol.-% kann ein duktiles Verhalten unter Zugbelastung erreicht werden (siehe Kapitel 5.4). Das duktile Verhalten beruht auf einem hohen plastischen Verformungsvermögen. Im Gegensatz zu spröden Materialien wird bei duktilen Werkstoffen das Versagen durch grosse Verform ung en angekündigt. Neben den besonderen mechanischen Eigenschaften zeichnet sich UHFB durch seine sehr hohe Dauerhaftigkeit aus Normative Anforderungen Die Einordnung von UHFB im Vergleich zu anderen Betonen bezüglich der mechanischen Eigenschaften, der Zusammensetzung und der gültigen Normen ist in Tabelle dargestellt. UHFB fällt aufgrund seiner Zusammensetzung und der Festigkeiten nicht in den Geltungsbereich der Normen SN EN und SIA 262. Für die Bemessung und Ausführung von UHFB ist ein Merkblatt SIA 2052 in Bearbeitung. Ausschreibung UHFB wird nach seiner Verwendung für Tragwerke (z. B. zur Erhöhung der Steifigkeit und Tragfähigkeit von Brückenplatten und Hochbaudecken) oder für Instandsetzung und Verstärkung (z. B. Abdichtung, Leitmauern, Verankerungsblöcke) unterschieden. Zu den charakteristischen Eigenschaften von UHFB gehören: Zugverhalten definiert durch die Zugfestigkeit f Ut, elastische Grenzzugfestigkeit f Ute, Verfestigung ε Utu und Entfestigung (spezifische Bruchenergie G FU, maximale Rissöffnung w Ut,max ) Druckfestigkeit f Uc Elastizitätsmodul E U Querdehnzahl ν U Temperaturausdehnungskoeffizient α U Schwindmass ε Us und Kriechzahl φ U(t,t0) Die unterschiedlichen Eigenschaften des UHFB können in sogenannten UHFB Sorten (Tab ) zusammengefasst werden. Grundlage der Sorteneinteilung ist das Zugverhalten des UHFB. Sorte U0 UA UB f Utem [MPa] f Utum / f Utem > 1.2 ε Utum [ ] f Ute,m / E Utm > 1.0 > 2.0 G FU [kj/m 2 ] > 8.0 f Utem Mittelwert der elastischen Grenzzugfestigkeit von UHFB (Spannungswert bei Erreichen der Elastizitätsgrenze von UHFB unter einachsiger Zugbeanspruchung) f Utum Mittelwert der Zugfestigkeit von UHFB ε Utum mittlere Dehnung bei Erreichen der Zugfestigkeit G FU spezifische Bruchenergie von UHFB (Mittelwert) Betonart Mechanische Eigenschaften D max [mm] w/z-wert Normen Beton Festigkeitsklasse bis C50/ SN EN 206-1, SIA 262 Tab : UHFB Sorten. Tab : Betonarten und ihre Einordnung in die Normen. Zusatzmittel Fliessmittel nach Bedarf (z. B. 1 2 M.-% bez. Z.) Rohdichte und Volumen des Frischbetons w/z-wert bzw. w/z eq -Wert Tab : Beispiele für den Mischungsentwurf eines hochfesten Betons mit verschiedenen Festigkeitsklassen. Hochfester Beton Ultrahochleistungs-Faserbeton Festigkeitsklasse C55/67 bis C100/115 Druckfestigkeit > 150 N/mm 2, hohe Zugfestigkeit und Verformungsvermögen SN EN 206-1, SIA 262 SIA Merkblatt 2052 (in Vorbereitung) 218 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 219

111 7. Betone für besondere Anwendungen 7.3 Ultrahochleistungs-Faserbeton 7. Betone für besondere Anwendungen 7.3 Ultrahochleistungs-Faserbeton Auch beim UHFB können zusätzliche Anforderungen entsprechend seiner Verwendung gestellt werden. Dazu gehören folgende Eigenschaften: Druckfestigkeit Elastizitätsmodul Abriebwiderstand Gefälleeignung Betontechnologie Allgemeines Die besonderen Eigenschaften von UHFB, insbesondere die hohe Druck- und Zugfestigkeit und die ausgezeichnete Dauerhaftigkeit, beruhen auf folgenden, betontechnologischen Zusammenhängen: Optimierung des Korngerüsts im Bereich der Feinstanteile Die Kornzusammensetzung wird durch die Verwendung von Silikastaub im Feinstkornbereich erweitert. Damit werden auch kleinste Hohlräume ausgefüllt. Zusammen mit dem Einsatz ausgewählter, feiner Quarzsande anstelle grober Gesteinskörnungen führt dies zu einer hohen Packungsdichte mit einem homogenen Gefüge (Abb ). Während im normalfesten Beton die Gesteinskörnung den grössten Anteil ausmacht, überwiegt bei UHFB der Anteil des Zementsteins. Durch den hohen Anteil an Zementstein bildet sich kein steifes Skelett aus Gesteins körnern. Verformungen wie Schwinden, die nur im Zementstein auftreten, werden dadurch weniger behindert, so dass Mikrorisse im Zementstein vermieden werden. Reduktion des w/z-wertes UHFB hat bei ähnlicher absoluter Zugabewassermenge einen deutlich höheren Zementgehalt als normal- oder hochfeste Betone. Daraus resultiert ein deutlich geringerer w/z-wert von in der Regel unter Die mittlere Porengrösse von UHFB ist im Vergleich zu Beton deutlich kleiner und das Porensystem ist nicht vernetzt. Aufgrund des niedrigen w/z-wertes verbleibt unhydratisierter Zement als chemisch reaktiver Füller im Gefüge und stellt eine Hydratationsreserve dar. Bewehrung mit Stahl- oder Kunststofffasern Die Faserbewehrung in hoher Dosierung (1 bis 5 Vol.-%) verleiht dem hochfesten Gefüge eine hohe Duktilität und Nachrissfestigkeit. Durch die homogene Verteilung der Fasern werden Bauteile sowohl im Inneren als auch an der Oberfläche bewehrt (Abb ). Die Wirksamkeit der Fasern in UHFB hängt von Werkstoff, Gehalt, Geometrie, Verteilung und Orientierung ab. Aufgrund des in der Regel hohen Fasergehalts haben die Fasern einen massgeblichen Einfluss auf das mechanische Verhalten von UHFB. Zement Für UHFB haben sich Betonzusammensetzungen auf Basis von Portlandzementen (CEM I) mit niedrigen Alkaligehalten, Portlandkompositzementen (CEM II) und Hochofenzementen (CEM III) aller Festigkeitsklassen in der Praxis bewährt. Die Verwendung von Hochofenzementen (CEM III/B) mit geringem Klinkeranteil wirkt sich vorteilhaft auf die CO 2 -Bilanz von UHFB aus. Gesteinskörnung In der Regel werden je nach Anforderungen und Leistungsfähigkeit nur Sande mit einem Grösstkorn kleiner als 2 mm verwendet. Zum Einsatz kommen Quarzsande und -mehle mit ausgewählter Sieblinie, wobei z. B. Ausfallkörnungen zu einer höheren Packungsdichte beitragen. Die Kornform beeinflusst die Konsistenz und den Wasseranspruch. Mit Vorteil werden getrocknete Sande, deren Sieblinien einer strengen Qualitätskontrolle unterzogen werden, verwendet. Zusatzmittel Um die Mischbarkeit bei den angestrebten geringen w/z-werten von kleiner als 0.25 zu erreichen, sind hochwirksame Fliessmittel in hoher Dosierung erforderlich (ca. 1 2 M.-%). Sie basieren in der Regel auf der Basis von Polycarboxylaten, die optimal auf den Zement abgestimmt sein müssen. Zusatzstoffe Als Zusatzstoff in UHFB ist Silikastaub sehr verbreitet. Durch die puzzolanische Reaktion des Silikastaubs entstehen zusätzliche Hydratationsprodukte, die zur Festigkeitsbildung beitragen und vor allem in der Kontaktzone zu den Fasern und zu den Gesteinskörnern den Verbund verbessern. Bei der Verwendung von Stahlfasern haben sich Faserdurchmesser von 0.10 bis 0.15 mm und Faserschlankheiten im Bereich von 40 bis 80 (Längen-Durchmesserverhältnis) als guter Kompromiss zwischen Verarbeitbarkeit und Wirksamkeit bewährt. Für Bauteile mit geringen Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften werden auch Polyvinylalkoholfasern (PVA) verwendet. Konsistenz UHFB kann in unterschiedlichen Konsistenzen hergestellt werden. Für geschalte Bauteile wird fliessfähiger, selbstverdichtender UHFB mit einem Setzfliessmass von annähernd 800 mm verwendet (Abb 7.3.3). Die Konsistenz ist honigartig und von hoher Viskosität geprägt, so dass das Setzfliessmass erst nach ca. 1 Minute erreicht wird. Ähnlich wie bei SCC (Kapitel 4.3) muss der Zementleim in der Lage sein, die Fasern in der Schwebe zu halten. Die Entlüftung und Verdichtung erfolgt während des Fliessens unter dem Einfluss der Schwerkraft. Fliessfähige UHFB-Varianten mit bis zu 2 Vol.-% Stahlfasern können mit Mörtelpumpen gepumpt werden. Für Anwendungen mit Gefälle, z. B. Schutzschichten auf Brücken, existieren UHFB-Typen, die in Abhängigkeit von der Schichtdicke mit bis zu 8 % Neigung eingebaut werden können (Abb ). Dabei muss die Abstimmung und Dosierung von Wasser und Fliessmittel sehr sorgfältig vorgenommen werden. Abb : Fliessfähiger UHFB (oben), UHFB mit Gefälleeignung 8 % (unten). Abb : Die Hauptkomponenten von UHFB (v.l.n.r.): Silikastaub, Zement, Quarzsand. Abb : Vergleich praxisüblicher Faservolumen, links UHFB mit ca. 300 kg/m 3 Fasern (3.8 Vol.-%) und rechts Stahlfaserbeton mit ca. 35 kg/m 3 Fasern. Herstellung UHFB wird als Trockengemisch (z. B. Holcim 707 und 710) oder als Frischbeton ab Werk angeboten. Eine Herstellung im Transportbetonwerk ist i. d. R. nur für einen UHFB mit fliessfähiger Konsistenz oder für geringe Transportzeiten möglich. Die folgende Mischreihenfolge der einzelnen Komponenten hat sich in der Praxis bewährt: Hälfte aller Pulverkomponenten Zugabewasser mit Fliessmittel andere Hälfte aller Pulverkomponenten Fasern. Die Dosierung von Wasser und Fliessmittel muss mit grosser Genauigkeit erfolgen. Erfahrungsgemäss sind die meisten Zwangsmischer zur Herstellung von UHFB geeignet. Aufgrund der hohen Schlankheit und Dosierung der Fasern ist besonders auf ihre Vereinzelung und homogene Verteilung im Frischbeton zu achten. Die Mischzeit liegt je nach Art des Mischers, der Chargengrösse und der Faserzugabe im Bereich von 10 bis 20 Minuten. 220 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 221

112 7. Betone für besondere Anwendungen 7.3 Ultrahochleistungs-Faserbeton Einbau und Verdichtung Fliessfähiger UHFB wird in die Schalung eingefüllt und verteilt sich unter dem Einfluss der Schwerkraft. Um das Einfliessen in enge Schalungen zu erleichtern, können Schalungsvibratoren eingesetzt werden. Dabei ist darauf zu achten, dass keine Entmischung von Matrix und Fasern eintritt. Bei Arbeitsunterbrüchen müssen die Stösse im Frischbeton kräftig durchmischt werden, um eine durchgehende Faserbewehrung sicher zu stellen. Die Anforderungen an die Schalungen sind sehr hoch. Aufgrund der hohen Fliessfähigkeit muss die Schalung sehr dicht sein. Der Schalungsdruck des Frischbetons entspricht dem hydrostatischen Druck. Durch den hohen Anteil an feinen Bestandteilen und aufgrund der Fliessfähigkeit werden Texturen der Schalung sehr genau auf der Betonoberfläche abgebildet. Dünnschichtiger, thixotroper UHFB in flächigen, horizontalen Anwendungen kann mit einem Vibrationsbalken bearbeitet werden. Bei dem Einbau von UHFB-Schichten auf bestehenden Beton muss der Untergrund sorgfältig vorbereitet werden (Abb und 7.3.5). Es muss nicht nur die Zement - haut vollständig entfernt sondern eine Rautiefe von ca. 2 3 mm erzeugt werden. Der Untergrund muss vorgängig wassergesättigt werden. Es gelten die gleichen Anforderungen wie bei der Betoninstandsetzung mit hydraulisch gebundenen Werkstoffen. Nachbehandlung Aufgrund des geringen w/z-wertes von UHFB kommt der Nachbehandlung eine besondere Bedeutung zu. Jeder Wasserverlust ist unbedingt zu vermeiden. UHFB ist direkt nach dem Einbau mit Folie abzudecken und vor Umwelteinflüssen (Wind, Sonne, Regen, Kälte) zu schützen. Durch eine Wärmebehandlung (kontrollierte Zufuhr von Wärme und Feuchte) kann die Festigkeit weiter gesteigert und das Schwinden innerhalb kurzer Zeit stabilisiert werden. Die Nachbehandlungsdauer liegt in der Regel zwischen 5 bis 7 Tagen. Sicherheit Von den in UHFB verwendeten Stahlfasern geht eine erhebliche Verletzungsgefahr durch Eindringen in die Haut oder Augen aus. Es sind geeignete Schutzmassnahmen vorzusehen. Des Weiteren gelten die üblichen Vorsichtsmassnahmen bei Arbeiten mit Zement und Silikastaub Hinweise für das Planen von Ultrahochleistungs-Faserbeton Anwendungsgebiete UHFB kann im Neubau oder in Verbindung mit bestehenden Betonbauten zum Schutz und zur Verstärkung eingesetzt werden. Durch die Verwendung von UHFB können Bauteilabmessungen und Eigenlasten minimiert werden. In Abbildung sind Querschnitte von Biegeträgern dargestellt, die vergleichbare Tragfähigkeiten aufweisen. Mit UHFB können bei annähernd gleichem Eigengewicht ähnliche Abmessungen wie mit Stahlträgern erreicht werden. Die Verbindung von UHFB mit vorgespannter Bewehrung in der Haupttragrichtung ist dabei sinnvoll. Bei der Verstärkung von Stahlbetonbauteilen wird eine dünne Schicht aus UHFB oder bei erhöhten Anforderungen aus UHFB mit zusätzlicher Bewehrung aufgebracht (Abb ). Grundsätzlich ist es sinnvoll, UHFB gezielt in den Bauwerksbereichen einzusetzen, die stark exponiert sind und daher besonderer mechanischer Eigenschaften und erhöhter Dauerhaftigkeit be dürfen. Eine Verdübelung mit dem Untergrund ist i. d. R. nicht notwendig. Verhalten unter Zugbelastung Durch die Faserbewehrung erreicht UHFB eine Zugfestigkeit, die jene des normalfesten Betons deutlich übersteigt, und die damit auch rechnerisch berücksichtigt werden kann. Das Verhalten von UHFB unter direkter Zugbelastung ist durch drei Phasen elastisch, verfestigend und entfestigend gekennzeichnet (Abb ): Elastisches Verhalten: Lineare Verformungszunahme bei steigender Belastung, vollständiger Rückgang der Verformung bei Entlastung. UHFB Stahl Stahlbeton UHFB-Schicht, 30mm Stahlbeton Bewehrte UHFB-Schicht, 50 80mm Stahlbeton Verfestigendes Verhalten: Verformungszunahme bei steigender Belastung mit der Bildung von fein verteilten Rissen mit geringer Rissbreite (Mikrorisse) und bleibender Verformung bei Entlastung. Die Verfestigung tritt nur auf, wenn der Fasergehalt so hoch ist, dass die Fasern die Kraft vollständig übernehmen können. Bei zu geringem Fasergehalt tritt keine Verfestigung auf und es erfolgt die Entfestigung direkt im Anschluss an den elastischen Bereich. Entfestigendes Verhalten: Abnahme der Zugspannungen bei zunehmenden Verformungen, die konzentriert in einem Riss auftreten, der sich zunehmend öffnet, wobei die Fasern ausgerissen werden. Die Zugspannungen nehmen progressiv ab bis zur vollständigen Trennung der beiden Rissflanken. Die maximale Rissöffnung entspricht ungefähr der hlaben Faserlänge. Abb : Trägerquerschnitte mit vergleichbarer Tragfähigkeit aus unterschiedlichen Materialien, Neubau. Abb : UHFB als Schutzund Verstärkungsschicht für Stahlbetonbauteile. Zugspannung [N/mm 2 ] 7 10 N/mm 2 ΔI I 7 12 N/mm 2 UHFB w Abb : Schematische Darstellung des Zugverhaltens von UHFB mit 4 Vol.-% Stahlfasern. elastisch verfestigend entfestigend Beton C 30/37 ΔI Abb : Einbau der UHFB-Verstärkungs-, Abdichtungs- und Deckschicht auf einer Brücke. Abb : Abziehen des UHFB mit dem Vibrierbalken. keine Rissbildung verteilte Mikrorissbildung Dehnung (ε = ΔI/I) 2 lokalisierte Mikrorissbildung ( w max l f /2) Rissöffnung (w) 222 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 223

113 7. Betone für besondere Anwendungen 7.3 Ultrahochleistungs-Faserbeton Kriechen und Schwinden Aufgrund des hohen Zementsteinanteils und des niedrigen w/z-wertes kann UHFB ein vergleichsweise hohes Endschwindmass von bis zu 1 erreichen. Das Schwinden tritt fast ausschliesslich in Form von autogenem Schwinden auf. Das Kriech- bzw. Relaxationsvermögen von UHFB ist ebenfalls höher als bei normalfesten Betonen. Spannungen, die aus behindertem Schwinden entstehen, werden durch Relaxation teilweise abgebaut. Zusammen mit der hohen Zugfestigkeit und dem Verformungsvermögen (Verfestigung) aufgrund der Faserbewehrung bleibt verfestigender UHFB auch bei hohen Einspanngraden rissfrei und dauerhaft. Dies ist insbesondere bei der Anwendung von UHFB als Schutz- und Verstärkungsschicht auf bestehenden Betonbauteilen von Bedeutung (Abb ). Dauerhaftigkeit Das dichte Gefüge von UHFB bewirkt einen sehr hohen Widerstand gegen das Eindringen von Gasen und Flüssigkeiten. Daraus leiten sich ein hoher Karbonatisierungs-, Chlorid-, Sulfat-und Frost-Tausalzwiderstand ab. Gegenüber Säureangriffen besteht eine grosse chemische Beständigkeit. Bewehrung und Stahlfasern in UHFB sind auch bei geringerer Bewehrungsüberdeckung als bei herkömmlichen Betonen geschützt. Bei bewehrtem UHFB beträgt die Bewehrungsüberdeckung für geschalte Flächen 10 mm und für ungeschalte Flächen 15 mm. Die Korrosion oberflächennaher Stahlfasern stellt allenfalls ein ästhetisches Problem dar, hat aber keine Auswirkungen auf die Dauerhaftigkeit. Abrieb- und Stossbelastungen werden aufgrund des kompakten Gefüges und der grossen Duktilität durch die Stahlfasern sehr gut ertragen. Die Kontrolle der Rissbildung und der Rissbreiten durch die Bewehrung mit Stahlfasern trägt ebenfalls zur Dauerhaftigkeit bei. Brandwiderstand Für UHFB gelten bezüglich Brandwiderstand die gleichen Hinweise wie für hochfeste Betone (siehe Kapitel 7.2). Abb : Vorgefertigter Bachdurchlass, dessen Oberseite eine Schutzschicht aus UHFB erhält. 7.4 Beton für Bohrpfähle und Schlitzwände Einleitung Bohrpfähle und Schlitzwände gehören zu den wichtigsten Bauteilen bei Gründungs- und Verbaumassnahmen. Die Lasten von Tragwerken können mit Pfählen in tiefere, tragfähige Bodenschichten abgetragen werden. Bohrpfahl- und Schlitzwände dienen auch zur Absicherung von grossen Baugruben. Bohrpfähle und Schlitzwände können sowohl als vorfabrizierte Elemente als auch aus Ortbeton hergestellt werden. Vorgefertigte Pfähle werden als Rammpfahl in den Boden eingebracht. Bohrpfähle Zur Herstellung von Bohrpfählen aus Ortsbeton wird ein Loch in den Baugrund gegraben oder gebohrt, bis eine ausreichend tragfähige Boden- oder Gesteinsschicht erreicht ist. In vielen Fällen wird die Bohrlochwandung bis zum Betonieren durch eine Verrohrung gestützt, um eine Auflockerung und Entspannung der angrenzenden Bodenschichten so weit wie möglich zu verhindern. In das vorbereitete Bohrloch wird der vorgefertigte Bewehrungs korb abgesenkt. Danach wird der Beton eingefüllt und die Verrohrung gezogen (Abb ). Abb : Aushub einer Schlitzwand mit einem Schlitzwandbagger. (Quelle: BAUER Spezialtiefbau GmbH, Schrobenhausen). Abb : Bushaltestelle aus UHFB. Seil Teleskopgestänge Rohr ziehen Kran- oder Pumpbeton 1 Aushub des Bodens 2 Einbau des Bewehrungskorbes 3 Betoniervorgang 4 Fertiger Pfahl Abb : Herstellen eines Bohrpfahles aus Ortsbeton mit Verrohrung. Nicht tragfähiger Baugrund Tragfähiger Baugrund Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 225

114 7. Betone für besondere Anwendungen 7.4 Beton für Bohrpfähle und Schlitzwände 7. Betone für besondere Anwendungen 7.4 Beton für Bohrpfähle und Schlitzwände Abb : Arten von Bohrpfahlwänden, Draufsicht (oben) und Ansicht (unten). überschnittene Bohrpfahlwand tangierende Bohrpfahlwand aufgelöste Bohrpfahlwand Bohrpfahlwand Bohrpfahlwände setzen sich aus mehreren aneinander gereihten Bohrpfählen zusammen, deren Anordnung je nach Anforderung bestimmt wird. Dabei stehen drei Arten von Bohrpfahlwänden zur Auswahl (Abb ): überschnittene Bohrpfahlwand tangierende Bohrpfahlwand aufgelöste Bohrpfahlwand In der Praxis wird eine dichte Bohrpfahlwand am häufigsten durch Überschneidung der einzelnen Bohrpfähle erreicht. Im ersten Arbeitsgang werden Bohrungen in einem bestimmten Abstand zueinander hergestellt und mit Ortsbeton gefüllt. In dem folgenden Arbeitsschritt werden diese Bohrpfähle durch eine weitere Bohrung zwischen diesen überbohrt und vor dem Betonieren bewehrt. Bei der tangierenden Bohrpfahlwand werden die Bohrungen so abgeteuft, dass sich die Bohrpfähle gerade berühren. Die aufgelöste Bohrpfahlwand enthält nur die statisch erforderliche Anzahl an bewehrten Pfählen. Die Zwischenräume werden durch eine Ausfachung mit Ortsbeton, Spritzbeton oder anstehendem Erdreich geschlossen. Einsatz eines Schlitzwandgreifers Schlitzwand Schlitzwände werden im Einphasen- oder Zweiphasen- Verfahren hergestellt. Beim Einphasenverfahren wird der Schlitz mit einer selbsterhärtenden Stützflüssigkeit gefüllt, die nicht entfernt wird. Die klassische Ortsbetonschlitzwand wird im Zweiphasen-Verfahren hergestellt (Abb ). In der ersten Phase erfolgt der Aushub des Schlitzes im Schutz einer nicht erhärtenden Stützflüssigkeit (z. B. Bentonitsuspension). In der zweiten Phase wird der Bewehrungskorb in den Schlitz abgesenkt und anschliessend der Schlitz mit Beton ausbetoniert. Die Stützflüssigkeit wird dabei aus dem Schlitz verdrängt und zurückgewonnen. Beim Einbau von Bohrpfählen und Schlitzwänden werden Bodenschichten durchdrungen, die entweder trocken oder wasserführend sind und evtl. betonangreifende Stoffe enthalten können. Da eine Verdichtung aufgrund der Einbautechnologie und der Tiefe nicht möglich ist, wird dieser Beton meist in fliessfähiger Konsistenz hergestellt. An die Zusammensetzung von Bohrpfahl- und Schlitzwandbetone werden besondere Anforderungen gestellt, damit sie sich beim Einbringen nicht entmischen, ihre fliessfähige Konsistenz während des Einbaus bewahren und die geplante Dauerhaftigkeit erreichen Normative Anforderungen Die Anforderungen an Betone für Bohrpfähle und Schlitzwände sind in der Norm SN EN beschrieben. Hier wird eine Einteilung der Betone für Bohrpfähle und Ortsbetonschlitzwände in vier Betonsorten vorgenommen: für hohe Beanspruchungen (P1 und P2) und für normale Beanspruchungen (P3 und P4). Sie unterscheiden sich je nach den Einbaubedingungen trocken oder unter Wasser in den An forderungen an die Zusammensetzung und die Dauerhaftigkeitsprüfungen. Dabei ist zu beachten, dass keine Expositionsklasse angegeben wird. Zusätzlich gelten die Normen SN EN 1536 Ausführung von Arbeiten im Spezialtiefbau Bohrpfähle und SN EN 1538 Ausführung von Arbeiten im Spezialtiefbau Schlitzwände. Bohrpfahl- und Schlitzwandbetone werden üblicherweise in den Druckfestigkeitsklassen C 20/25 bis C 30/37 angewendet. Anforderungen an die Dauerhaftigkeit, z. B. zur AAR-Beständigkeit und zum Sulfatwiderstand werden projektbezogen vorgegeben. Ein Sulfatangriff der Betone Bezeichnungen für Bohrpfahl- und Schlitzwandbetone Grundlegende Anforderungen P1 im Trockenen (NPK H) der Klasse P1 ist nicht vorgesehen. Details zu AAR-beständigen Betonen sind im Kapitel 6.4 und zu Betonen mit einem hohen Sulfatwiderstand sind im Kapitel 6.3 aufgeführt. In der Tabelle sind die grundlegenden und zusätzlichen Anforderungen sowie Vorgaben für die Zusammensetzung aufgeführt. Bei den Vorgaben für die Zusammensetzung von Bohrpfahl- und Schlitzwandbetonen wird auf die besonderen Bedingungen des Einbaus Rücksicht genommen. So werden für die Bohrpfahlsorten P2 und P4 deutlich höhere Zementgehalte sowie eine fliessfähige Konsistenz vorgegeben, um ein stabiles und entmischungsfreies Einbringen unter Wasser sicher zu stellen. Als Prüfmethode der Konsistenzklasse wird häufig anstelle des Ausbreitmasses das Fliessmass (Slump) vorgegeben. Die Druckfestigkeitsklassen sind vergleichsweise gering, da der Beton nicht verdichtet werden kann. Die vorgegebenen Richtwerte für den Mehlkorngehalt und der erhöhte Mindestzementgehalt sind auf die besonderen Einbaubedingungen zurückzuführen. Hohe Beanspruchungen P2 unter Wasser (NPK I) Normale Beanspruchungen P3 im Trockenen (NPK K) Mindestdruckfestigkeitsklasse C25/30 C20/25 Expositionsklassen P4 unter Wasser (NPK L) keine Angabe zu Expositionsklassen zur Vermeidung von Missverständnissen Nennwert des Grösstkorns D max 32 Chloridgehaltsklasse CI 0.10 Konsistenzklasse F4 (sehr weich) F5 (fliessfähig) F4 (sehr weich) F5 (fliessfähig) Zusätzliche Anforderungen Frost-Tausalzwiderstand (z. B. bei teils freiliegenden Pfählen) evtl. mittel AAR-Beständigkeit entsprechend Merkblatt SIA 2042 nicht frostbeständig Abb : Herstellung einer Schlitzwand im Zweiphasen-Verfahren. Betonitsuspension Phase 1: Aushub der Schlitzwand. Zurückgewinnung der Betonitsuspension temporäres Abschalelement (Rohr) Phase 2: Bewehren und Betonieren der Schlitzwand. Sulfatwiderstand nicht sulfatbeständig projektbezogen nicht sulfatbeständig Anforderungen an die Zusammensetzung Maximaler w/z-wert bzw. w/z eq -Wert Mindestzementgehalt [kg/m 3 ] Gesteinskörnung gemäss SN EN Richtwerte für den Mehlkorngehalt [kg/m 3 ] D max > 8 mm D max 8 mm Zulässige Zementarten gemäss Betonsorten D (T1) und E (T2) gemäss Betonsorten C bis G Tab : Anforderungen an die Betone für Bohrpfähle und Schlitzwände nach der Norm SN EN Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 227

115 7. Betone für besondere Anwendungen 7.4 Beton für Bohrpfähle und Schlitzwände Betontechnologie Allgemeines Neben den normativen Anforderungen muss ein Beton für Bohrpfähle und Schlitzwände folgende, massgebende Eigenschaften aufweisen: gute Fliessfähigkeit hohe Stabilität und damit hoher Widerstand gegen Entmischung ausreichende Verarbeitungszeit für das Einbringen und ggf. Ziehen der Verrohrung Damit soll sicher gestellt werden, dass der Beton beim Einbringen leicht um die Bewehrung fliesst und sich ein dichtes Betongefüge auch ohne Verdichtung ausbildet. Zement Für Bohrpfahl- und Schlitzwandbetone sind alle Zementarten nach der Norm SN EN ausser CEM II/B-LL und CEM III/A zugelassen. Insbesondere Portlandkompositzemente sind aufgrund des guten Wasserückhaltevermögens gut geeignet, um eine hohe Stabilität des Frischbetons zu erreichen. Die Wahl des Zementes richtet sich auch nach dem Einbauverfahren. Für vorgefertigte Pfähle wird in der Regel ein Zement mit hoher Frühfestigkeit gewählt, um ein rasches Ausschalen zu ermöglichen. Bei Ortsbetonpfählen sind dagegen ein normaler Erstarrungsbeginn und eine mittlere Festigkeitsentwicklung erwünscht. Dies ist auf die teils nicht vorherzusehenden Gegebenheiten beim Bohren, dem langsamen Betonierfortschritt beim Einbringen unter Wasser sowie die Bearbeitbarkeit des Festbetons bei überschnittenen Bohrpfahlwänden zurückzuführen. Bei Anwendungen unter Wasser kommt der Wahl des Zementes eine grössere Bedeutung zu. Sowohl die Anforderungen an die AAR-Beständigkeit und den Sulfatwiderstand sowie allfällige Vorgaben der Umweltbehörden bezüglich der Chromatauswaschung aus dem Frischbeton sind in der Regel nur mit Portlandkompositzementen (z. B. Optimo 4, Robusto 4R-S) zu erfüllen. Gesteinskörnung Grundsätzlich gelten die Anforderungen an die Gesteinskörnung nach Norm SN EN Um den hohen er forderlichen Mehlkorngehalt zu erreichen, empfiehlt sich die Verwendung einer sandreichen Sieblinie, wie für einen Pumpbeton (siehe Kapitel 4.1). Der Sandgehalt (d 4 mm) sollte dabei mehr als 40 M.-%, der gesamten Gesteinskörnung, betragen. Eine Ausfallkörnung ist nicht zulässig. Das Grösstkorn der Gesteinskörnung darf 32 mm oder ein Viertel des lichten Abstandes der Längsbewehrung nicht überschreiten. Zusatzmittel Betone für Bohrpfähle und Schlitzwände werden in der Regel mit Fliessmitteln hergestellt, um dem Frischbeton den gewünschten Zusammenhalt und die notwendige Fliessfähigkeit zu geben. Bei den Fliessmitteln ist neben der gewünschten Verflüssigungsleistung auch auf eine möglichst lange Verarbeitungszeit zu achten. Für die Sicherstellung der gewünschten Verarbeitungsszeit und als Vorsorge für etwaige Unterbrechungen des Betoniervorganges werden Erstarrungsverzögerer zugegeben. Zusatzstoffe Ein ausreichender Mehlkorngehalt kann durch die Verwendung von Zusatzstoffen sicher gestellt werden. Insbesondere bei gebrochener Gesteinskörnung mit höherem Bindemittelbedarf und zur Unterstützung einer sehr hohen Fliessfähigkeit des Betons (F5) ist der Einsatz von Flugasche hilfreich. Die Anrechenbarkeit der Flugasche auf den Mindestzementgehalt und den maximalen w/z- Wert (k-wert Konzept) ermöglicht eine moderate Reduktion der Festigkeit und Festigkeitsentwicklung, was bei überschnittenen Bohrpfählen von Vorteil sein kann. Für den Holcim-Zement Robusto 4R-S (CEM II/B-M (S-T)) ist das k-wert Konzept uneingeschränkt anwendbar, für den Holcim-Zement Optimo 4 (CEM II/B-M (T-LL)) nur für temporäre Bohrpfähle oder Bohrpfähle im Trockenen. Konsistenz Beton für Bohrpfähle und Schlitzwände ist aufgrund seiner Zusammensetzung und Konsistenz in der Regel pumpfähig. Für Anwendungen im Trockenen sollte das Ausbreitmass zwischen 470 und 530 mm bzw. das Setzmass zwischen 120 und 180 mm liegen. Für Anwendungen unter Wasser sollte das Ausbreitmass zwischen 570 und 630 mm bzw. das Setzmass zwischen 170 und 230 mm gewählt werden. Einbau Für das Einbringen des Betons stehen verschiedene Verfahren zur Verfügung, z.b. mit Schüttrohr, Pumprohr oder Verteilschlauch. Die Besonderheiten des jeweiligen Einbauverfahrens sind zu beachten. In Grundwasser bzw. in einer Stützflüssigkeit wird der Beton in der Regel mit dem sogenannten Kontraktorverfahren eingebracht. Dabei wird das Schüttrohr in die Bohrung bis an den Pfahlfuss bzw. die Schlitzsohle geführt. An der Unterkante tritt der Beton aus und schiebt Wasser, Schlamm und ggf. die Stützflüssigkeit nach oben. Der Betoniervorgang findet von unten nach oben statt. So können Verunreinigung, Entmischung oder Verwässerung (Veränderung des w/z- Wertes) des Betons minimiert werden. Während des Betonierens wird die verdrängte Suspension laufend abgesaugt und rezykliert. Das Wasser und der Schlamm in der Bohrung laufen oben über die Bohrrohre aus Hinweise für das Planen von Bohrpfahl- und Schlitzwandbeton Bewehrungsüberdeckung Für die Planung und Ausschreibung von Bohrpfahl- und Schlitzwandbeton enthält die Norm SIA 118/267 Hinweise zu den allgemeinen Bedingungen für geotechnische Arbeiten. Für vorgefertigte Betonpfähle gelten hinsichtlich der Bewehrungsüberdeckung die üblichen Anforderungen nach Norm SIA 262. Bei Ortsbetonpfählen muss in Abhängigkeit des Einbauverfahrens die Bewehrungsüberdeckung auf folgende Mindestmasse erhöht werden: c nom = 60 mm bei verrohrten Pfählen c nom = 75 mm bei unverrohrten Pfählen oder beim Betonieren unter Wasser Ausschreibung Bohrpfahl- und Schlitzwandbetone werden üblicherweise als Beton nach Eigenschaften ausgeschrieben. Zement CEM II/B-M (T-LL) (Optimo 4) CEM II/B-M (S-T) (Robusto 4R-S) Dichte [kg/dm 3 ] 3.03 Bohrpfahlbeton P3 im Trockenen Anteil [M.-%] Betonzusammensetzung In Tabelle sind Beispiele üblicher Betonzusammensetzungen für Bohrpfahlbetone aufgeführt. Menge [kg/m 3 ] Volumen [l/m 3 ] Bohrpfahlbeton P2 unter Wasser Anteil [M.-%] Tab : Beispiele für den Mischungsentwurf eines Bohrpfahl betons für unterschiedliche Beanspruchungen. Menge [kg/m 3 ] Volumen [l/m 3 ] Bohrpfahlbeton P2 unter Wasser mit Sulfatangriff Anteil [M.-%] Menge [kg/m 3 ] Volumen [l/m 3 ] Zusatzstoff Flugasche Gesteinskörnung Sand 0/4 Kies 4/8 Kies 8/16 Kies 16/ Beispiel 25 Beton nach Norm SN EN 206-1, Sorte P2 Pfahlbeton unter Wasser Druckfestigkeitsklasse C25/30 Nennwert Grösstkorn D max 32 Klasse des Chloridgehaltes Cl 0.10 Konsistenzklasse F5 Zusätzliche Anforderung: Hoher Sulfatwiderstand Verzögerung des Abbindebeginns um 4 Stunden Wasser Luft Zusatz mittel Fliessmittel, Verzögerer nach Bedarf (z. B. FM M.-% bez. Z.) Rohdichte und Volumen des Frischbetons w/z-wert bzw. w/z eq -Wert Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 229

116 7. Betone für besondere Anwendungen 7. Betone für besondere Anwendungen 7.5 Beton für Verkehrsflächen 7.5 Beton für Verkehrsflächen Anforderungen Standardtypen 1 3: Strassen und Autobahnen, Kreisel, Bushaltestellen, Plätze Allgemein Beton nach SN EN Standardtyp 4: Güter- und Waldstrassen, Spurwege, Rad- und Gehwege Expositionsklassen XC4, XD3, XF4 XF3, XC4 Druckfestigkeitsklasse C30/37 C25/30 Tab : Anforderungen an Beton für Verkehrsflächen gemäss Norm SN b. Abb : Verkehrsflächen aus Beton: Autobahn (oben links), Kreisel (oben rechts), Bushaltestelle (unten links), Spurweg (unten rechts) Einleitung Verkehrsflächen, auch Betondecken oder Betonbeläge genannt, gehören zu den Bauteilen, die durch Achslasten, Verschleiss und tägliche Temperaturzyklen mit Frosttausalzeinwirkung im Winter stark beansprucht werden. Verkehrsflächen aus Beton zeichnen sich durch ihre hohe Dauerhaftigkeit besonders bei hohem Verkehrsaufkommen mit hohen Achslasten aus. Spurrinnen wie bei Asphaltbelägen treten bei Betonbelägen aufgrund der besseren Lastverteilung, der höheren Steifigkeit und der Formstabilität auch bei hohen Temperaturen nicht auf. Daraus resultiert eine lange Nutzungs dauer und geringe Unterhaltskosten. Die Verkehrssicherheit wird dank günstigem Griffigkeitsverhalten, hohem Brandwiderstand und heller Fahrbahnoberfläche positiv beeinflusst, was insbesondere in Tunneln eine grosse Bedeutung hat. Im Gegensatz zu Asphalt liegt die Frischbetontemperatur beim Einbau im Bereich der Umgebungstemperatur. Betonbeläge werden vorteilhaft für stark belastete Verkehrsbauten wie Autobahnen, Kreisel, Bushaltestellen, Flugpisten und Lastwagenterminals aber auch für landwirtschaftliche Spurwege eingesetzt (Abb ). Zur Erfüllung der hohen Anforderungen an die Betonqualität und -verarbeitung sind die sorgfältige Planung aller konstruktiven Details und die fachgerechte Ausführung besonders wichtig. Mindestwert der Biegezug festigkeit nach 28 Tagen (Prüfung nach SN EN , Prisma mm) Luftgehalt Gesteinskörnung nach SN EN 12620, SN Normative Anforderungen Allgemeines Die Anforderungen an Betonbeläge für Strassen und Autobahnen, Kreisel, Bushaltestellen und Plätze sowie Güter- und Waldstrassen, Spurwege, Rad- und Gehwege sind in der Norm SN b Betondecken geregelt. Für besondere Anwendungsgebiete wie Flugbetriebsflächen, Flächen mit aussergewöhnlichen Anforderungen und spezielle Bauweisen sind weitergehende Planungsgrundsätze einzuhalten, auf die hier nicht näher eingegangen werden. Es werden die folgenden vier Betondeckentypen unterschieden: Betondecke mit Fugen (Bodenplatten) Betondecke im Verbund durchgehend bewehrte Betondecke dünnschichtige Betondecke (Whitetopping) Betondecken mit Fugen werden in der Schweiz fast ausschliesslich verwendet. Die anderen Konstruktionsarten haben in der Schweiz eine geringe Bedeutung und werden deshalb im Folgenden nicht weiter behandelt. Betondecke mit Fugen Betonbeläge mit Fugen können die Funktion der Deckund/oder Tragschicht erfüllen. Die Betondecke ist Bestandteil eines frostsicheren Oberbaus und ist für eine ausreichende Oberflächentwässerung mit einem Gefälle zu versehen. Sie kann ein- oder zweischichtig eingebaut werden. Die obere Schicht wird als Oberbeton und die untere Schicht als Unterbeton bezeichnet. Es werden vier Standardtypen unterschieden: Strasse und Autobahnen Kreisel Bushaltestellen und Plätze Güter- und Waldwege, Spurwege, Rad- und Gehwege 5.5 N/mm N/mm Vol.-% bei Grösstkorn 32 mm 3.5 Vol.-% bei Grösstkorn 16 mm D max 32 mm, PSV 44 Anforderungen werden an die Planung (siehe Kapitel 7.5.4) und an den Beton gestellt (Tab ). Fahrbahnoberflächen Um den Bedürfnissen von Verkehrssicherheit, Fahrkomfort und Minimierung der Lärmemissionen zu genügen, werden insbesondere Anforderungen an die Oberflächenstruktur der Fahrbahnen hinsichtlich Textur, Griffigkeit, Ebenheit im Längs- und Querprofil sowie der erzeugten Verkehrsgeräusche gestellt. Diese Anforderungen werden in den Normen SN , SN a, SN , SN A, SN A und SN geregelt. Die Griffigkeit ist einer der wichtigsten Parameter im Strassenbau und beschreibt die Wirkung der Oberflächenbeschaffenheit der Fahrbahn auf den Reibwert zwischen Fahrbahn und Fahrzeugreifen. Der Reibwert bestimmt die vom Fahrzeug auf die Fahrbahn übertragbare Kraft (Beschleunigungs-, Brems- und Lenkkräfte) und ist damit für die Verkehrssicherheit entscheidend. Je höher die Reibung ist, desto höher ist diese Kraftübertragung und damit die Griffigkeit einer Fahrbahn. Zum Erreichen einer guten Griffigkeit ist ein ausgewogenes Verhältnis von Mikro- zu Makrotextur der Fahrbahnoberfläche erforderlich. Die Mikrotextur umspannt den Bereich von mm, die Makrotextur von mm. Die Makrotextur hängt hauptsächlich von der Korngrössenverteilung der Gesteinskörnung und dem Zementgehalt des Betons ab. Bei höheren Fahrgeschwindigkeiten ist sie wichtig für das Abführen des Wassers aus der Kontaktfläche Reifen/Fahrbahn. Die Mikrotextur hingegen entsteht aus der Oberflächenbeschaffenheit der einzelnen Gesteinskörner und erhöht die Kontaktfläche zum Reifen. Die Griffigkeit einer Strassenoberfläche verändert sich im Laufe der Zeit durch Verwitterung und Abrieb durch den Verkehr. Der Strassenstaub, der u. a. Quarz enthält, wirkt dabei als Poliermittel. 230 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 231

117 7. Betone für besondere Anwendungen 7.5 Beton für Verkehrsflächen Abb : Stehende Kante bei Beton mit hoher Grünstandsfestigkeit (oben), geschlossene Oberfläche durch den Einbau mit dem Gleitschalungsfertiger (unten). Nachweisverfahren Das Nachweisverfahren von Betonen für Verkehrsflächen erfolgt dreistufig. Wie bei anderen Betonbauten ist ein Eignungsnachweis des Betons und der Gesteinskörnung, die eingesetzt werden sollen, anhand einer Erstprüfung vorzuweisen. Bei anspruchsvollen Bauvorhaben kann eine Probeherstellung und ein Probeeinbau vereinbart werden, um die ausgeschriebenen Frisch- und Festbetoneigenschaften sowie die Verarbeitungsbedingungen inklusive Oberflächenfertigung zu überprüfen. In jedem Fall werden beim Einbau Frisch- und Festbetoneigenschaften (Druckfestigkeit, Biegezugfestigkeit, Frosttausalzwiderstand) an Proben und Bohrkernen aus dem Belag bestimmt sowie die Oberflächeneigenschaften (Höhenlage, Ebenheit, Griffigkeit) und Ausführung (Fugenausbildung, Dübel) geprüft. Die Prüfungen der Biegezugfestigkeit und der Druckfestigkeit sind im Kapitel 3.8, diejenige der Frosttausalzbeständigkeit im Kapitel 6.2 beschrieben Betontechnologie Für eine ausreichende Dauerhaftigkeit von Betonbelägen sind eine hohe Druckfestigkeit und Biegezugfestigkeit sowie ein hoher Frosttausalzwiderstand und hoher Verschleisswiderstand erforderlich. Letzterer wird generell durch eine hohe Festigkeit und insbesondere im Oberflächenbereich durch eine sorgfältige Nachbehandlung erreicht, aber auch durch die Mindestanforderungen an den Polierwiderstand der Gesteinskörnung. Zement In der Schweiz wird für Betondecken üblicherweise Portlandzement CEM I der Festigkeitsklasse 42,5 verwendet. Für andere Zementarten sind die Betoneigenschaften nachzuweisen. Zudem gelten die Anforderungen nach der Norm SN EN 206-1, die sich aus den Expositionsklassen ergeben. Bei besonderen Anforderungen bezüglich AAR ist die Verwendung von Portlandkompositzementen (z. B. CEM/II B-M (S-T), Robusto 4R-S) vorteilhaft. Gesteinskörnung Üblicherweise werden Betonbeläge mit einem Grösstkorn von 32 mm hergestellt. Für dünne Betondecken wird ein Grösstkorn von 16 mm und für lärmmindernde Oberflächen ein Grösstkorn von 8 mm oder 11 mm verwendet. Für Betonbeläge wird ein Polierwiderstand (PSV) von 44 gefordert (siehe Kapitel 1.3.3). Gebrochenes Grobkorn (Splitt anstelle von Kies) und ein kleineres Grösstkorn (z. B. 16 mm statt 32 mm) können die Biegezugfestigkeit erhöhen. Gebrochene Körner erhöhen zudem die Grünstandfestigkeit und weisen einen höheren Polierwiderstand auf. Zur weiteren Steigerung der Griffigkeit der Betonoberflächen können Hartstoffe in die frische Beton oberfläche eingearbeitet werden. Dazu wird in der Schweiz hauptsachlich Elektrokorund verwendet, aber auch Metallspäne und Siliciumcarbid. Übliche Dosierungen liegen bei ca. 1 kg/m 2. Zusatzmittel Als Zusatzmittel kommen bei Betonen für Verkehrsflächen Luftporenbildner für die Einführung der Mikroluftporen zum Einsatz. Werden Fliessmittel eingesetzt, dürfen diese nicht nachverflüssigen. Konsistenz Maschinelle Einbaugeräte (Gleitschalungsfertiger) erfordern steife Betone (C1), damit die Seitenflächen des eingebauten Frischbetons nicht absacken. An der Oberfläche darf sich unabhängig von der Einbauart nur eine möglichst dünne Feinmörtelschicht bilden. Der Handeinbau sollte mit einem plastischen Beton (Konsistenzklasse C2) erfolgen. Einbau, Verdichtung und Nachbehandlung Die Betondecke kann ein- oder zweischichtig eingebaut werden. Der einschichtige Einbau verlangt für die gesamte Betondecke Oberbetonqualität und damit grosse Mengen hochwertiger Ausgangsstoffe. Bei der zweischichtigen Bauweise sind nur für den Oberbeton hochwertige Gesteinskörnungen erforderlich. Der Unterbeton kann mit regionalen oder rezyklierten Gesteinskörnungen erstellt werden. Diesem Vorteil stehen beim einschichtigen Einbau Einsparungen bei den Geräte- und Personalkosten gegenüber. Bei Handeinbauten von kleineren Flächen (z. B. Kreisel und Bushaltestellen) oder bei eingeschränkten Platzverhältnissen gelangen gestellte Schalungen zur Anwen- Abb : Händische Oberflächenbearbeitung einer Betondecke. dung. Die Schalung muss fest mit dem Untergrund verbunden und dicht aufgelagert sein. Sie bildet zugleich die Höhenbezugslinie (Abb ). Der Beton ist in jeder Schicht oder Lage in gleichmässiger Höhe über die gesamte Einbaubreite zu verteilen. Entmischungen und Vorverdichtung sind zu vermeiden. Bei zweischichtiger Bauweise können Unter- und Oberbeton mit einem Zwei-Bohlen-Gleitschalungsfertiger oder mit zwei unmittelbar hintereinander fahrenden Gleitschalungsfertigern eingebaut werden. Dabei ist auf die richtige Höhenlage des Unterbetons zu achten, damit der Oberbeton die minimale Dicke von 4 bis 5 cm erhält. Der Unterbeton darf nur so weit vorgelegt werden, dass er vor dem Einbringen des Oberbetons weder sichtbar angetrocknet ist, noch vor dessen Verdichtung bereits zu erstarren beginnt. Es ist frisch in frisch zu arbeiten, damit ein dauerhafter Verbund zwischen Ober- und Unterbeton erreicht wird. Die Betondecke wirkt dadurch monolithisch, und innere und aussere Kräfte können schadlos aufgenommen werden. Der Beton muss über den gesamten Querschnitt gleichmässig und vollständig verdichtet werden. Dabei ist auf ein sorgfältiges Einhalten der Konsistenz und der Dichte des Frischbetons zu achten. Gleitschalungsfertiger verdichten den Beton mit Vibriernadeln, die über die volle Einbaubreite reichen und in Höhe und Richtung gehalten werden müssen. Der gegenseitige Abstand der Vibriernadeln wird auf deren Wirkung abgestimmt. Es dürfen keine Vibriergassen (Mörtelanreicherung an der Oberfläche) entstehen. Ein maschineller und steter Vorschub verhindert Unebenheiten infolge ungleichmässiger Verdichtung. Bei Handeinbauten sind nach der Verdichtung mit Vibriernadeln weitere Verdichtungsgeräte (Vibrationsbalken) einzusetzen, die über die ganze Einbaubreite wirken. Die Oberfläche der Betondecke wird beim maschinellen Vorgehen mit Glätteinrichtungen fertig gestellt, welche die geforderte Ebenheit erzielen. Bei Handeinbauten dient ein Vibrationsbalken zur Fertigung der Oberfläche. Rotorglätter sind nicht zugelassen (siehe Kapitel 4.4). Durch die Verdichtung entsteht an der Deckenoberfläche eine dünne Mörtelschicht mit hohem Mehlkorn- und Feinstsandanteil, die so gering wie möglich zu halten ist. 232 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 233

118 7. Betone für besondere Anwendungen 7.5 Beton für Verkehrsflächen Abb : Strukturierung der Oberfläche mit Besenstrich. Oberflächenbearbeitung Die Oberflächenbearbeitung erfolgt beim verdichteten und abgezogenen Frischbeton und verleiht der Decke durch Strukturierung der Oberfläche eine dem Verwendungszweck entsprechende Griffigkeit. Besen Nach dem Glätten wird die Betonoberfläche mit einem Besen strukturiert. Von einer Arbeitsbühne aus wird der Besen im flachen Winkel zum Fahrbahnbelag geführt (Abb ). Jutetuch Die Betonoberfläche kann nach dem Glätten auch mit einem Jutetuch (Gewicht mind. 300 g/m 2 ) in Längsrichtung strukturiert werden. Das Jutetuch wird über die gesamte Einbaubreite an den Gleitschalungsfertiger oder die Arbeitsbühne angehängt und mitgezogen (Abb ). Die Aufliegefläche beim Nachschleppen muss mindestens zwei Meter betragen. Das Jutetuch ist während des Einbaus des Betons auszuwaschen bzw. anzunässen, wenn Mörtelanreicherungen auf dem Jutetuch entstehen, durch deren erhöhtes Gewicht Abdrücke und Vertiefungen in die Oberfläche gezogen werden, oder Mörtel auf dem Jutetuch eintrocknet. Waschbetonstruktur/Bürsten Waschbetonoberflächen haben sich bezüglich der Lärmentwicklung bewährt. Hierzu wird ein Splittbeton mit einem Grösstkorn von 8 bzw. 11 mm hergestellt. Dieser spezielle, rund 4 cm dicke Splittbeton wird als Oberbeton frisch in frisch auf den Unterbeton mit herkömmlicher Zusammensetzung eingebaut. Ein zusätzlicher Arbeitsgang erfolgt direkt hinter dem Längsglätter, in dem ein Oberflächenverzögerer aufgesprüht wird, der verhindert, dass der Zement an der Oberfläche abbindet. Zusammen mit dem Verzögerer wird ein Nachbehandlungsmittel aufgesprüht. Die abschliessende Oberflächenbearbeitung erfolgt nach dem Fräsen der Fugen. Ein mit Bürsten versehenes Gerät erstellt die gewünschte Waschbetonoberfläche, indem die nicht angebundenen Bestandteile aus der Oberfläche herausgebürstet werden (Abb ). Unmittelbar nach dem Ausbürsten wird abermals ein Nachbehandlungsmittel aufgesprüht. Die Rautiefe sollte bei einem Grösstkorn von 8 mm zwischen 0.8 und 1.1 mm liegen. Anfangsgriffigkeit herabsetzen. Aufgrund der Expositionsklassen ist in der Regel die Nachbehandlungsklasse 4 gemäss Norm SIA 262 einzuhalten (Kapitel 3.6.2). Mit Nachbehandlungsmitteln behandelte Flächen dürfen erst befahren werden, wenn eine Schädigung des Nachbehandlungsfilms und ein daraus resultierendes vorzeitiges Austrocknen des Betons ausgeschlossen werden können. Als weitere Schutz- und Nachbehandlungsmass - nahmen für Betondecken können folgenden Methoden zum Einsatz kommen: flächendeckendes Besprühen mit Wasser, um die Oberfläche ständig feucht zu halten wasserhaltende Abdeckungen wie Jutetuch oder Geotextil Wärmedämmmatten, die ein unmittelbares Verdunsten des Wassers sowie ein rasches Erwärmen oder Abkühlen des Betons verhindern Das Abdecken der Betondecke mit PVC-Folien ist eine wirkungsvolle, kurzfristige Schutzmassnahme gegen Schlagregen, jedoch als alleinige Nachbehandlung unzureichend Hinweise für das Planen von Betondecken d Regel 1: L = d Regel 2: L 1.5. B Regel 3: L 5.00 m B L Deckendicke d [mm] übliche Plattenlänge L [m] Strassen und Autobahnen Kreisel Bushaltestellen, Plätze Abb : Regeln zur Festlegung der Plattengrösse unbewehrter Betondecken gemäss der Norm SN b. Tab : Plattendicken von Betondecken nach Anwendungsgebieten gemäss der Norm SN b. Abb : Abziehen der Oberfläche mit dem Jutetuch. Abb : Waschbetonoberfläche erstellt durch Ausbürsten der nicht angebundenen Bestandteile. Nachbehandlung Als erste und unmittelbar nach dem Einbau umzusetzende Massnahme wird ein Nachbehandlungsmittel aufgesprüht. Dieses verhindert den Wasserverlust bis weitere Nachbehandlungsmassnahmen ergriffen werden können. Das Nachbehandlungsmittel darf die Oberflächenstruktur der Betondecke nicht beeinflussen. Die aufzusprühende Menge ist in Abhängigkeit vom verwendeten Nachbehandlungsmittel und der Rauhigheit der Oberfläche so festzulegen, dass beim Aufbringen ein geschlossener Film entsteht. Die Menge ist der Oberflächenstruktur anzupassen und beträgt in der Regel 150 bis 200 g/m 2. Eine zu grosse Menge an Nachbehandlungsmitteln kann nicht vollständig abwittern und die Allgemeines Anforderungen an die Planung von Betondecken mit Fugen werden in der Norm SN b für Verkehrslasten, Oberbautypen und Bauweise sowie für Deckendicke (d), Plattenlänge (L), dem Verhältnis d/l, Bewehrung, Dübel (Durchmesser, Länge, Abstand) und Anker (Durchmesser, Länge und Abstand) gestellt. Deckendicke und Plattengrösse Betondecken werden in der Regel über lange Strecken und grosse Flächen hergestellt. Aufgrund der Verkürzung des Betons durch Abkühlung und Schwinden, die durch die Reibung auf dem Untergrund behindert wird, entstehen in flächigen Bauteilen zwangsläufig Spannungen, die zu Rissen führen können. Bei unbewehrten Betondecken wie den Betondecken mit Fugen werden zur Steuerung dieser Rissbildung die Flächen durch Querfugen und Längsfugen unterteilt. Die Deckendicke wird in Abhängigkeit von der Nutzungsart festgelegt (Tab ). Die Festlegung der Plattengrösse erfolgt nach bewährten Regeln, die in Abbildung dargestellt sind. Fugen Fugen in unbewehrten Betondecken nehmen die last-, schwind- und temperaturbedingten Verformungen der Platten auf. Es ist ein Fugenkonzept zu erstellen, welches sämtliche Randbedingungen wie Platzgeometrie, Fahrtrichtungen, Kunstbauten, Gefälle, Entwässerung, Schächte, usw. berücksichtigt. Güter- und Waldstrassen, Spurwege, Rad- und Gehwege Je nach Ausrichtung und Funktion werden folgende Haupttypen unterschieden: Querfugen (mit und ohne Vorfrässchnitt) Längsfugen (mit und ohne Vorfässchnitt) Bewegungsfugen (Dilatationsfugen, Raumfugen) Anschlussfugen (Randfugen, Übergangsfugen) Querfugen werden als Scheinfugen in den erhärtenden Beton eingeschnitten. Dabei wird die Betondecke zu einem Drittel durchtrennt, so dass durch die Querschnittsschwächung eine Sollbruchstelle entsteht. Das Einschneiden erfolgt im Allgemeinen 6 bis 24 Stunden nach dem Betonieren. Der Zeitpunkt muss zwingend so gewählt werden, dass der Beton nicht zuvor unkontrolliert reisst. Längsfugen werden durch Einschneiden der Betondecke oder durch Anbetonieren ausgebildet. Sämtliche Fugen müssen durch Vergussmassen oder Fugenprofile gegen das Eindringen von Wasser und Schmutz abgedichtet werden. Die Fahrbahn ist bis zum Zeitpunkt der Fugendichtungsarbeiten sauber zu halten. In der Regel erfolgen diese frühestens drei Wochen nach dem Deckeneinbau. 234 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 235

119 7. Betone für besondere Anwendungen 7.5 Beton für Verkehrsflächen Abb : Fugenarten in Betondecken. Detail rechts: Betonschwelle unter einer Dilatationsfuge. Dübel und Anker Platten, die nicht durch Dübel miteinander verbunden sind, können sich entlang der Fugen vertikal und horizontal gegeneinander verschieben, so dass die Ebenheit der Decke beeinträchtigt wird und Schmutz und Wasser eindringen können. Durch das Eindringen von Wasser wird der Unterbau geschädigt und die Platte bei Frost angehoben, so dass mit der Zeit die flächige Lagerung verloren geht. Die Platte führt Pumpbewegungen aus, die die Schädigung des Unterbaus vorantreiben. Dies führt zu unvorhergesehenen Belastungen der Platte mit Rissen und Brüchen als mögliche Folge. Zudem erzeugen die entstehenden Absätze störende Poltergeräusche beim Überfahren. Dübel übertragen Querkräfte zwischen Platten und verhindern damit die gegenseitigen Verschiebungen und die Bildung von Absätzen (Abb ). Während Dübel so ausgebildet sind, dass sie nur Querkräfte übertragen, können Anker auch Normalkräfte, also Kräfte in ihrer Längsrichtung, aufnehmen. Querfugen werden in der Regel verdübelt während in Längsfugen Anker eingesetzt werden, um das Auseinanderwandern der Platten zu verhindern. Der typische Anker- und Dübelabstand in Fugenrichtung beträgt 50 cm. Bewehrung Betondecken mit Fugen gemäss SN werden unbewehrt ausgeführt. Sie erhalten nur in folgenden Sonderfällen eine Bewehrung: Platten mit unregelmässiger Geometrie mit Schachteinbauten, in der Regel in sogenannten Endfeldern Bereiche mit unregelmässiger Bettung, d. h. bei Platten, bei denen unregelmässige Setzungen des Untergrunds erwartet werden 5.1 m 4.7 m 4.9 m 4 m Fugenspaltbreite Fase 3 mm Fugenmasse Unterfüllstoff 25 cm 25 cm C25/ mm Fülltiefe Abb : Querfuge mit Frässchnitt und Riss (oben), schematischer Aufbau der Fugenabdichtung (unten). Schächte Aussparungen in Form von Schächten stören die angestrebte regelmässige Plattengeometrie. Optimal ist die Lage in Plattenmitte oder im Kreuzungsbereich einer Längs- und Querfuge. Liegen Schächte an oder in der Nähe von Fugen oder Plattenrändern, muss die Platte lokal bewehrt werden, um eine unkontrollierte Rissbildung zu vermeiden. Unterbau Zur Vermeidung einer Pumpwirkung (vertikale Plattenbewegung durch instabilen Untergrund) und zur Verbesserung der Tragfähigkeit von hochbelasteten Betondecken hat sich eine hydraulisch gebundene oder bitumenhaltige Unterlage als geeignet erwiesen. Es ist darauf zu achten, dass deren Oberfläche eine gewisse Rauhigkeit aufweist, um einen minimalen Verbund zwischen Betondecke und Tragschicht herzustellen. Dieser erhöht einerseits die gesamte Tragfähigkeit und garantiert andererseits ein gleichmässiges Reissen der Querfugen, was sich auf eine gleichmässige Fugenöffnung und damit auf den Fahrkomfort positiv auswirkt. Betonzusammensetzung In Tabelle sind zwei typische Betonzusammensetzungen für Betondecken für Verkehrsflächen aufgeführt. Zement Die Bewehrung löst keine statischen Aufgaben, sondern soll die Breite entstehender Risse begrenzen. Die Bewehrungsüberdeckung beträgt zum Schutz vor Bewehrungskorrosion infolge Taumittel mindestens 55 mm und zur wirksamen Rissbegrenzung höchstens 70 mm. In der Regel werden Bewehrungsnetze verwendet. Diese sind im Fugenbereich beidseits auf 50 mm Länge zu unterbrechen, um die Wirksamkeit der Fugen nicht zu beeinträchtigen. Fugenspalttiefe Gesteinskörnung CEM I (Normo 4) CEM II/B-M (S-T) (Robusto 4R-S) Sand 0/4 Kies 4/8 Splitt 8/11 Kies 8/16 Kies 16/32 Dichte [kg/dm 3 ] d/2 d/2 l/2 Dübel vollkommen unvollkommen Strassenbeton für Handeinbau Anteil [M.-%] Menge [kg/m 3 ] Volumen [l/m 3 ] Querkraftübertragung l/2 Strassenbeton für Fertigereinbau Anteil [M.-%] P Menge [kg/m 3 ] d Volumen [l/m 3 ] Wasser Abb : Positionierung eines Dübels in einer Querfuge (oben), Dübelwirkung zur Über tragung von Querkräften in Fugen (unten). Tab : Beispiele für den Mischungsentwurf eines Betons für Verkehrsflächen. Luft Zusatzmittel Fliessmittel, Luftporenbildner nach Bedarf Rohdichte und Volumen des Frischbetons w/z-wert m 4 m ausgewählte Betoneigenschaften Biegezugfestigkeit AAR f ct 5.5 N/mm 2 f ct 5.5 N/mm 2 beständig Längsfuge Querfuge Tagesfuge Dilatationsfuge bewehrte Felder Betonschwelle 236 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 237

120 Kapitel 8 Betonschäden Vorbemerkungen Verfärbungen Einleitung Erscheinungsformen Ursache und vorbeugende Massnahmen Entmischungen und Zementleim- und Feinstmörtelverlust Einleitung Erscheinungsformen Ursache und vorbeugende Massnahmen Schäden durch Alkali-Aggregat-Reaktion Einleitung Erscheinungsformen Entstehung und Vermeidung Schäden durch Korrosion der Bewehrung Einleitung Erscheinungsformen Entstehung und Vermeidung Ausblühungen Einleitung Erscheinungsformen Entstehung und Vermeidung Risse Einleitung Erscheinungsformen Ursache und vorbeugende Massnahmen Schäden durch Frost- und Frost-Tausalzangriff Einleitung Erscheinungsformen Entstehung und Vermeidung Schäden durch chemisch lösenden Angriff Einleitung Erscheinungsformen Entstehung und Vermeidung Schäden durch Sulfatangriff Einleitung Erscheinungsformen Entstehung und Vermeidung 270

121 8. Betonschäden 8. Betonschäden Vorbemerkungen 8.1 Verfärbungen Abb : Bohrkern aus dem Betonbelag der Hellgasse in Möriken-Wildegg, hergestellt (Quelle: Technik und Forschung im Betonbau, Wildegg). Unter einem Schaden wird die Verminderung der materiellen Substanz verstanden. Schäden können im Betonbau auf vielfältige Art und Weise auftreten. Sie können vereinfachend unterschieden werden in Schäden vor der Nutzung, d. h. unmittelbar nach der Herstellung eines Betons und Schäden während der Nutzung, d. h. nach einer gewissen Alterung und/oder durch Einwirkungen von aussen. Weist der Beton bei der Bauwerksabnahme nicht die vertraglich vereinbarten Eigenschaften z. B. bezüglich Aussehen, Dauerhaftigkeit und Festigkeit auf, gilt dies als Mangel. Bei der Beurteilung von Mängeln oder Schäden sind deren Ausmass, Intensität und Auswirkungen auf die Tragsicherheit, Gebrauchstauglichkeit und Dauerhaftigkeit eines Bauteils oder Bauwerks zu betrachten. Die Beurteilungskriterien hängen von den verein barten Anforderungen an die Planung, Ausführung und Nutzung des Bauwerks ab. Die Kenntnisse der Ursachen und der Schadensmechanismen sind unabdingbar für deren Beurteilung und eine Einschätzung ihrer Folgen. Sie sind die Basis für Risikobetrachtungen, die Festlegung des notwendigen Unterhaltsaufwandes und die Auswahl von Schutz- und Instandsetzungsmassnahmen. Beton ist bei sachgerechter Zusammensetzung und fachgerechter Ausführung ein sehr dauerhafter Baustoff. In Abbildung ist ein Bohrkern aus einem Betonbelag (Kt. Aargau) dargestellt, der im Jahre 1935 eingebaut wurde und im Rahmen einer Erneuerung im Jahre 2011 abgebrochen wurde. Beurteilung Betonbelag Hellgasse, Möriken-Wildegg durch die TFB, Wildegg: Betonzusammensetzung: Auffallend sind die tiefen angestrebten w/z-werte ( ). Gemäss den mikroskopischen Gefügeanalysen liegen die erreichten Werte zwischen 0.40 bis 0.45 und damit höher als die damaligen Zielwerte, aber aus heutiger Sicht dennoch sehr tief. Festbetoneigenschaften: Der Beton weist heute eine hohe Druckfestigkeit, einen hohen Frost-Tausalz- und Chloridwiderstand sowie eine niedrige Wasser leitfähigkeit auf. Die Ergebnissse sind mit den tiefen w/z- Werten erklärbar. Trotz der langjährigen Belastung durch Streusalze ist der Eintrag von Chloriden in den Beton deutlich weniger tief als bei jüngeren, stark chloridbelasteten Verkehrsbauten. Auch dies ist auf das dichte Gefüge und das bereits recht hohe Alter bei der erstmaligen Belastung durch Streusalz zurückzuführen. (Anmerkung: In der Schweiz wurde etwa ab Mitte der 1960er Jahre mit der Schwarzräumung begonnen). Die gleichen Gründe sind vermutlich ebenfalls für den, trotz des geringen Luftgehalts, hohen Frost-Tausalzwiderstand verantwortlich. Die in einer Tiefe von rund 45 mm liegende Bewehrung zeigte kaum Korrosionsangriffe Einleitung Unter Verfärbungen wird eine farbliche Veränderung der Betonoberfläche verstanden, die z. B. durch die Betonzusammensetzung, das Schalsystem, die Ausführung und/ oder die Umweltbedingungen verursacht werden kann. Beton weist bereits rohstoff- und verarbeitungsbedingt Farbtonabweichungen auf. In Abbildung sind Abweichungen vom Grauton von Betonen mit der gleichen Zusammensetzung dargestellt, bei denen jeweils eine Komponente oder Eigenschaft geändert wurde. Betone mit der gleichen Zementart, aber aus unterschiedlichen Zementwerken, weisen unterschiedliche Grau töne auf. Betone mit einem hohen w/z-wert sind heller als Betone mit einem tiefen w/z-wert. Betone mit gleichem w/z- Wert sind bei weicher Konsistenz heller als bei steifer Konsistenz. Ausführungsbedingte Verfärbungen stellen einen Mangel dar, haben jedoch keine Schäden zur Folge. In der Regel haben sie nur Auswirkungen auf das ästhetische Erscheinungsbild der Betonoberfläche und sind deshalb vor allem bei Sichtbeton bedeutsam. Tiefe Temperaturen während des Einbringens des Betons fördern das Auftreten von Verfärbungen. Mit zusätzlichen Massnahmen wie Erhöhung der Frischbetontemperatur, Heizen und/ oder Abdecken der Bauteile ist das Betonieren von Sichtbetonbauteilen auch bei tiefen Temperaturen bedingt möglich (siehe Kapitel 7.1). Die durch Alterung und Verwitterung verursachten Verfärbungen (Patina) sind material- und ausführungs - be dingt. Abb , oben: Farbton von Betonen mit gleicher Zusammensetzung und der gleichen Zementart jedoch aus unterschiedlichen Zementwerken. Abb , Mitte: Farbton von Betonen mit gleicher Zusammensetzung und unterschiedlichen w/z-werten: heller Grauton mit w/z-wert = 0.65 (links), dunkler Grauton mit w/z = 0.45 (rechts). Abb , unten: Farbton von Betonen mit gleicher Zusammensetzung und unterschiedlichen Konsistenzen mit w/z-wert = 0.45: heller Grauton mit flüssiger Konsistenz (links), dunkler Grauton mit steifer Konsistenz (rechts). Verfärbungen hingegen gelten als Flecken, wenn sie auf einer ursprünglich farblich einwandfreien Ober fläche durch äussere Einwirkungen entstanden sind (z. B. Klebebänder, Holzlatten, Plastikfolien usw.). Flecken sind anders zu bewerten als Verfärbungen. 240 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 241

122 8. Betonschäden 8.1 Verfärbungen Abb : Typische Erscheinungsformen von Verfärbungen der Beton oberfläche Erscheinungsformen In Abbildung werden einige typische Erscheinungsformen von Verfärbungen gezeigt, bei denen es sich nicht um Grautonveränderungen handelt. Braunverfärbungen an Betonwaren (verfärbte Kalkausblühungen) werden detailliert im Kapitel 8.3 behandelt. Hell- / Dunkelverfärbung (Leopardenmuster) auf einer Betonoberfläche nach einer Betonage bei winterlichen Bedingungen. Braun-Rotverfärbung auf einer Betonoberfläche durch herabrinnendes Rostwasser einer ungeschützten Anschlussbewehrung. Schwarze Schlieren auf einer Betonoberfläche eines Betons mit weicher Konsistenz, der Ausgangsstoffe mit schwarzen Verunreinigungen enthält. Gelb-Braunverfärbung auf einer Betonoberfläche. Der Beton wurde mit phenolharzbeschichteter Schalung hergestellt Ursache und vorbeugende Massnahmen Hell-Dunkelverfärbung Ursache Trotz fachgerechter Planung und einwandfreier Ausführung kommt es bei der Herstellung von Sichtbetonoberflächen unter winterlichen Bedingungen immer wieder zu Hell-Dunkel-Verfärbungen (Leopardenmuster). Bei Winterbetonagen ist eine hohe relative Feuchte während der Austrocknung des Betons von entscheidender Bedeutung für das spätere optische Erscheinungsbild der Betonflächen. Beim Austrocknen bildet sich ein Feuchtegradient von Innen nach Aussen aus. Dieser verursacht eine Feuchtebewegung im Kapillarporensystem, welche das in der Porenlösung gelöste Calciumhydroxid zum Verdunstungshorizont transportiert. Je nach Wassergehalt, Porosität des Betons und Umgebungsbedingungen ist die Verdunstungsrate an der Betonoberfläche höher als die nachfliessende Porenlösung, so dass der Verdunstungshorizont von der Betonoberfläche in das Betoninnere wandert. Das Calciumhydroxid fällt beim Austrocknen als Karbonat auf der Höhe des Verdunstungshorizontes aus. Bleibt die Betonoberfläche feucht, d. h. der Verdunstungshorizont befindet sich auf der Betonoberfläche, bilden sich helle Kalkausblühungen (siehe Kapitel 8.3.3). Wandert der Verdunstungshorizont in das Betoninnere, kristallisiert das Calciumhydroxid als Karbonat im Porenraum aus. Bei tiefen Temperaturen und hohen relativen Luftfeuchtigkeiten dauert die Zeitspanne, bis der Verdunstungshorizont in das Betoninnere wandert, lange, so dass sich viel Calciumhydroxid knapp unter der Betonoberfläche ansammeln kann. Dadurch verdichtet sich der oberflächennahe Zementstein und die Oberflächenstruktur wird ebener und geschlossener. Solche Oberflächen besitzen einen tieferen Reflexionsgrad, was sie noch dunkler erscheinen lässt. (Tab ). Vorbeugende Massnahmen Die Hell-Dunkelverfärbung infolge Calciumhydroxid anreicherungen kann durch Verschieben der Betonage zu Zeiten mit günstigen klimatischen Bedingungen oder Durchführen von Winterbaumassnahmen so beeinflusst werden, dass die vermehrten Karbonatausfällungen an der Betonoberfläche verhindert wird. Schwarze Schlieren Ursache Schwarze Schlieren können an der Oberfläche von selbstverdichtenden Betonen und von Betonen mit fliessfähiger Konsistenz auftreten. Bei Betonen mit steifen bis weichen Betonkonsistenzen ist eine schwarze Schlierenbildung nicht sichtbar. Ursachen sind: schwarze, organische Einschlüsse in bestimmten Kalksteinen, z. B. Schrattenkalk unverbrannter Kohlenstaub in Flugasche oder Silikastaub Die organischen Bestandteile können rohstoffbedingt in den Zumahlstoffen eines Zementes, in der Gesteinskörnung oder in den Betonzusatzstoffen enthalten sein. Im Frisch beton werden die färbenden Bestandteile aufgrund ihrer geringen Dichte an die Oberfläche transportiert. Vorbeugende Massnahmen Es wird bei SCC und Betonen mit fliessfähiger Konsistenz empfohlen, Zemente, Gesteinskörnung und Zusatzstoffe zu verwenden, deren Gehalt an schwarzen organischen Bestandteilen gering ist. Dabei kann der Glühverlust ein erster Anhaltspunkt für die Beurteilung sein. Rosaverfärbung auf der Oberfläche eines SCC infolge Verwendung einer Stahlschalung geringer Stahlqualität und einem ungeeigneten Trennmittel. Temporäre Blauverfärbung von einem Beton mit Hochofenzement (CEM III/B). Verdunstungsrate Erscheinungsbild Keine Verfärbung Dunkle Verfärbung Ausblühung grösser als die nach fliessende Porenlösungs menge gleich gross wie die nachfliessenden Porenlösungsmenge Verdunstungs horizont im Innern des Betons knapp unter der Betonoberfläche kleiner als die nach fliessende Porenlösungs menge auf der Betonoberfläche Tab : Transport- und Kristallisationsvorgänge während der Austrocknung. Calciumhydroxid (CaOH 2 ) fällt in den Poren im Innern des Betons aus sammelt sich knapp unter der Betonoberfläche an fällt auf der Betonober fläche aus 242 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 243

123 8. Betonschäden 8.1 Verfärbungen Abb : Schutz der Anschlussbewehrung vor Witterungseinflüssen. Braun-Rotverfärbung Ursache Eine Braun-Rotverfärbung kann entstehen, wenn die Anschlussbewehrung von Wänden und Decken der Witterung ausgesetzt ist. Der sich dabei auf der Stahloberfläche bildende Rost kann z. B. in Regenwasser gelöst werden. Läuft dieses Rostwasser an der Betonoberfläche herunter, entstehen braun-rote Verfärbungen oder Rinnspuren. Es ist sehr schwierig, Rostverschmutzungen von der Beton oberfläche zu entfernen. Das Rostwasser dringt in der Regel so tief in den Beton ein, dass eine oberflächliche Reinigung nicht ausreicht. Es gibt Reinigungsmittel, mit denen diese Verschmutzungen entfernt werden können, allerdings werden die so gereinigten Flächen deutlich heller. Werden solche Reiniger eingesetzt, empfiehlt sich deshalb eine Behandlung der ganzen Betonoberfläche. Vorbeugende Massnahmen Die überstehenden Bewehrungsstähle sind mit Folien zu umhüllen und vor Wasserzutritt zu schützen. Auch das Einhausen des Bauteils bringt den erforderlichen Schutz. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Bewehrungsstähle mit Zementleim einzustreichen und so einen Korrosionsschutz herzustellen. Gelb-Braunverfärbung Ursache Gelb-Braunverfärbungen können bei Betonen auftreten, die mit phenolharzbeschichteten Schaltafeln hergestellt wurden, deren Phenolharzbeschichtung nicht ausreichend ausgehärtet ist oder im ausgehärteten Zustand ungenügend witterungs- und alkalibeständig ist. Die Belastung der kunststoffvergüteten Schalung durch UV- Licht und Witterung sowie die Art der Lagerung auf der Baustelle entscheiden über das Entstehen und die Intensität der Verfärbung. Die während der Hydratation entstehenden erhöhten Bauteiltemperaturen können den chemischen Abbau des Phenolharzfilms beschleunigen. Entsteht ein Spalt zwischen der Betonoberfläche und der Schalung durch Schwinden oder Lösen der Schalungsanker, kann sich durch die eindringende, kühlere Aussenluft Kondenswasser bilden. Das Kondenswasser nimmt Phenolbestandteile auf und läuft zwischen Schalung und Beton ab, wobei es gelb-braune Rinnspuren auf der Oberfläche des Wandbetons hinterlässt. Vorbeugende Massnahmen Vor dem Einsatz von kunststoffvergüteten Schalungen, insbesondere für Sichtbetonanwendungen, kann die Schalhaut mit dem Ochsenaugentest (kurzzeitige Be aufschlagung der Oberfläche des Phenolharzfilms mit Kalilauge) auf Alkaliresistenz getestet werden. Grundsätzlich muss bei der Herstellung von glatten Betonoberflächen darauf geachtet werden, dass die Schalhaut nicht zu Verfärbungen führt. Es wird empfohlen, saugende Holzschalungen vor Benutzung durch Auf streichen von Zementschlämme künstlich zu altern. Die Belastung der Schalung durch UV-Licht und Witterung sowie unsachgemässe Lagerung auf der Baustelle ist zu vermeiden. Rosaverfärbung Ursache Rosaverfärbungen können nach dem Ausschalen auftreten, wenn gleichzeitig die folgenden Bedingungen zutreffen: Verwendung eines Zements mit gebranntem Schiefer (Optimo 4 oder Robusto 4R-S) sehr flüssiger Beton (SCC oder leicht verdichtbarer Beton) Metallschalung (nicht rostfreie Stahlqualität) ungeeignetes Schalöl/Trennmittel Zemente mit gebranntem Schiefer enthalten rohstoffbedingt auch geringe Anteile an gebrannten Tonen mit eisenhaltigen Mineralien (Magnetit oder Hämatit). Die Rosaverfärbung kommt durch eine Ansammlung der eisenhaltigen Verbindungen mit einer Schichtdicke von rund ein bis zwei Mikrometern an der Kontaktzone Beton-Stahlschalung zustande. Bei der Oberflächenansammlung der Eisenoxide handelt es sich um eine Entmischung in Zusammenhang mit nicht rostfreien Stahlschalungen. In Betonen mit sehr fliessfähiger Konsistenz scheinen sich die Eisenoxidpartikel unbehinderter bewegen zu können, so dass diese Betone für Rosaverfärbungen besonders anfällig sind. Die Wahrscheinlichkeit des Auftretens der Verfärbungen ist um so grösser, je niedriger die Temperaturen sind. Dagegen haben der Zementgehalt, die Herkunft des Zementes und der Gesteinskörnung, die Art des Fliessmittels sowie die Verwendung eines Luftporenbildners keinen Einfluss auf die Auftretenswahrscheinlichkeit. Bei vibrierten Betonen wurden keine Rosaverfärbungen beobachtet, ebenso wenig beim Einsatz von Holzschalungen oder kunststoffbeschichteten Schalungen sowie auf ungeschalten Betonoberflächen. Rosaverfärbungen können mit geringem Aufwand durch leichtes Schleifen mit Sandpapier entfernt werden. Die Betoneigenschaften werden in keiner Weise beeinträchtigt. Eine Reinigung durch Abwaschen mit Wasser ohne mechanische Einwirkung reicht nicht aus, um die Verfärbungen zu entfernen. Vorbeugende Massnahmen Die folgenden Massnahmen haben sich zur Vermeidung von Rosaverfärbungen in der Praxis bewährt: Verwendung von Metallschalungen aus rostfreiem Stahl. Diese Wandschalungen sind leicht an ihrer metallisch-silbernen Farbe zu erkennen. Verwendung von Schalwachs statt Schalöl bei üblichen und alten Metallschalungen Blauverfärbung Ursache Blauverfärbungen treten ausschliesslich bei Hochofenzementen (CEM III) auf. Sie sind auf geringe Gehalte an Sulfiden im Hüttensand zurückzuführen. Die Sulfide werden bei der Reaktion mit Wasser zu Calciumhydrosulfiden und Calciumpolysulfiden umgewandelt. Diese Polysulfide können unter Luftabschluss und in alkalischem Milieu, wie es bei geschalten Betonoberflächen der Fall ist, mit gelösten Metallionen aus dem Hüttensand und Zement (z. B. Eisen, Mangan) zu Metallsulfiden mit einer sehr intensiven grünen oder blauen Färbung reagieren. An abtrocknenden Oberflächen oxidieren diese grünen oder blauen Metallsulfide mit dem Sauerstoff der Luft zu farblosen Metallverbindungen (Sulfate, Sulfite). Die Geschwindigkeit dieser Oxidation, und daraus resultierenden Entfärbung des mit einem Hochofenzement hergestellten Betons, hängt von mehreren Faktoren ab: kalte und feuchte Witterung verlangsamt die oberflächliche Abtrocknung und damit die Entfärbung durch Oxidation poröse Betone mit hohem w/z-wert entfärben sich rasch, so dass bereits unmittelbar nach dem Ausschalen eine helle Oberfläche vorliegt. Bei dichten Betonen dagegen läuft der Prozess langsamer ab horizontale Bauteile (Decken), die länger als vertikale Bauteile (Wände) eingeschalt bleiben, entfärben sich langsamer Je nach Umgebungsbedingungen und Betongefüge kann der Entfärbungsprozess der Oberfläche einige Tage bis wenige Monate dauern. Im Kernbereich dichter Betone bleibt die grüne bzw. blaue Verfärbung hingegen über Jahrzehnte erhalten. Dies wirkt sich besonders auf nachträglich bearbeitete Betonoberflächen aus. Es wird vermutet, dass die Nachbearbeitung die oberflächennahen Poren verschliesst und damit der Oxidationsprozess verlangsamt wird. So zeigen geschliffene Oberflächen über einen sehr langen Zeitraum eine anhaltende Verfärbung, die auch nach mehreren Monaten noch sichtbar ist. Auch eine erneute Befeuchtung kann die Verfärbungen wieder sichtbar machen. Dieses Phänomen ist nicht restlos geklärt. Abb : Oberfläche einer Betondecke, oben: mit Blauverfärbung nach dem Ausschalen, unten: nach selbständiger Entfärbung wenige Wochen später. Vorbeugende Massnahmen Grüne oder blaue Verfärbungen treten meist nur bei besonders dichten Betonen auf und verschwinden in wenigen Tagen bis Monaten von allein. Soll der gewünschte helle Farbton aber bereits nach kurzer Zeit vorliegen, kann eine Unterstützung der Oberflächenabtrocknung beschleunigend wirken. 244 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 245

124 8. Betonschäden 8. Betonschäden 8.2 Entmischungen und Zementleim- und Feinstmörtelverlust 8.2 Entmischungen und Zementleim- und Feinstmörtelverlust Abb : Typische Erscheinungsformen von Entmischungen und Zementleimund Feinstmörtelverlust Einleitung Während oder nach demtransport, Fördern, Einbringen, Verdichten und Abziehen des Frischbetons können verschiedenartige Entmischungen auftreten, die die Qualität und das Aussehen des Betons beeinträchtigen. Bei undichten Schalungsstössen kann es zu einem Austritt von Zementleim und Feinstmörtel kommen, wodurch eine unebene, rauhe Betonoberfläche mit dunklen Verfärbungen entsteht. Eine Sonderform stellt die Wasserabsonderung, das sogenannte Bluten, dar Erscheinungsformen In Abbildung werden einige typische Erscheinungsformen von Entmischungen und Zementleim- und Feinstmörtelverlust gezeigt Ursache und vorbeugende Massnahmen Allgemeines Vor dem Erstarren können sich die einzelnen Bestand - teile des Betons entmischen. Dabei trennen sich die Bestandteile entsprechend ihrer Grösse und Dichte durch zu intensives Verdichten oder gravimetrisch im ruhenden Frischbeton. Die groben und schweren Körner sinken ab (sedimentieren), während die leichten und feinen Partikel aufsteigen (Abb ). Das Absondern des Zugabewassers vom Zementleim wird als Bluten des Betons bezeichnet. Dieser Vorgang kann sowohl an der Betonoberfläche als auch im Beton inneren stattfinden. Zementleimanreicherungen mit hohen Wasser gehalten können auch um die Gesteins körner entstehen infolge übermässigem Vibrieren. Die un gleichmässige Ausbildung des Betongefüges, insbesondere der Kapillarporosität, beeinträchtigt die Festigkeitsentwicklung und die Dauerhaftigkeit des Betons. An der Beton oberfläche zeichnen sich Entmischungen durch Farb unterschiede aus. Zementleimanreicherungen an der Betonoberfläche sind auch nach dem Erhärten weich und neigen zum Abmehlen und Absanden. Wolkenbildung infolge Mikroentmischung durch lokales Überverdichten. Abzeichnen der Bewehrung infolge Mikroentmischung durch lokales Überverdichten. Grossflächige Wolkenbildung durch ungenügender Durchmischung und Wasserabsondern des Frischbetons. Abzeichnen der undichten Schalungsfugen durch Verlust des Zementleimes, auf den Feldmitten helle Ausblühungen. Abmehlungen und Absandungen auf einer Bodenplatte als Folge des starken Bluten von Beton. Schleppwasserkanäle durch Aufsteigen von überschüssigem Zugabewasser an senkrechter, geschalter Betonoberfläche. Abb : Bohrkerne aus einer Decke, links: starke Sedimentation, rechts: keine Sedimentation. Zementleim und Feinstmörtelverlust durch undichte Betonierfuge. Kiesnest im Wand-Bodenanschlussbereich infolge ungenügender Verdichtung und Austreten von Feinstmörtel bei undichten Schalungsstössen. 246 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 247

125 8. Betonschäden 8.2 Entmischungen und Zementleim- und Feinstmörtelverlust Mehlkornarme Betone und hohe Wasserzementwerte begünstigen das Bluten. Weitere Ursachen sind tiefe Temperaturen und übermässiges Verdichten (Abb ). Abzeichnen der Bewehrung Ursache Das Abzeichnen der äusseren Bewehrungslage auf der Betonoberfläche entsteht durch Mikroentmischungen im Feinstkornbereich des Frischbetons, welche auf lokales Überverdichten in der Nähe der Schalung oder Bewehrung verbunden mit deren Schwingungen zurückgeführt werden. Vorbeugende Massnahmen Ein zu intensives Verdichten ist zu vermeiden. Es darf zu keinem Kontakt zwischen der Rüttelflasche und der Bewehrung kommen. Grosse Temperaturunterschiede zwischen Frischbeton und Bewehrung von mehr als 12 C sind bei tiefen Umgebungstemperaturen von 5 10 C zu vermeiden. Dieses Erscheinungsbild liegt in der Regel nicht an einer zu geringen Bewehrungsüberdeckung. Wolkenbildungen Ursache Grossflächige Wolkenbildungen können entstehen, wenn der Beton zum Bluten neigt und nicht genügend durchmischt wurde. Die Wolken zeichnen sich auf Betonuntersichten durch helle Säume ab. Wolkenartige Bereiche mit unterschiedlichem Grauton und Glanzgrad können durch unregelmässiges, ungenügendes bis zu intensives Vibrieren verursacht werden. Dabei kann sich der Beton lokal entmischen und dunkle Verfärbungen aufweisen. Wolkenbildung können des Weiteren auftreten bei Verwendung grösserer Mengen an Zusatzstoffen (z. B. Flugasche). Vorbeugende Massnahmen Die wichtigste Massnahme ist die kontrollierte Verdichtung des Frischbetons, so dass es zu keinem lokalen Überverdichten kommt. Beim Verdichten sollte der Innenrüttler nicht mit der Bewehrung und der Schalung in Berüh rung kommen (siehe Kapitel 3.5). Die Bewehrungsüberdeckung muss zwingend eingehalten werden. Ein ausreichender Mehlkorngehalt, wie z. B. für Pumpbeton, verbessert das Wasserrückhaltevermögen des Frischbetons (siehe Kapitel 4.1). Der Beton soll in gleichmässigen Schüttlagen eingebracht und entsprechend seiner Konsistenz ausreichend verdichtet werden. Dunkelverfärbungen Ursache Bei tiefen Temperaturen verzögert sich die Abbindezeit und die Entmischungsgefahr des Frischbetons nimmt zu. Entmischungen führen zu einer Umverteilung und einem Verlust des Zugabewassers im Mikrobereich, so dass die Hydratation des Zementes lokal stark vermindert bis gestört werden kann. Der niedrigere Hydratations grad und die damit verbundene niedrige Kapillarporosität verur sachen dunkle, flächige Verfärbungen der Betonhaut, insbesondere auf Deckenuntersichten. Ebenso führen diese Entmischungen auch bei Kiesnestern oder undichten Fugen infolge der Wasserabsonderung des Zementleimes zu markanten Dunkelverfärbungen. Vorbeugende Massnahmen Die Dunkelverfärbungen infolge Entmischungen können im Winter durch den Einsatz von Beschleunigern und Betonmischungen mit einem guten Wasserrückhaltevermögen vermieden werden. Abmehlen und Schleppwasserkanäle Ursache Abmehlungen entstehen durch Beinträchtigungen der Hydratation an der Betonoberfläche. Abgesondertes Zugabewasser kann entlang der Schalung aufsteigen und Fliessspuren, sogenannte Schleppwasserkanäle, an der Betonoberfläche hinterlassen. Dieser Effekt tritt häufig bei glatter, nicht saugender Schalung in Verbindung mit hohen Schüttlagen auf. Abb : Wasser (Blut- und Regenwasser) auf horizontaler Betonoberfläche. Vorbeugende Massnahmen Für das Bluten des Frischbetons ist massgeblich die Betonzusammensetzung verantwortlich. Bei der Herstellung und Ausführung von Sichtbetonbauten sind in diesem Zusammenhang folgende Punkte zu beachten: Der Beton sollte einen ausreichenden Mehlkorngehalt aufweisen. Die Verwendung von CEM II/B-M Zementen ist wegen ihres Wasserrückhaltevermögens vorteilhaft. Der Beton sollte eine weiche bis fliessfähige Konsistenz aufweisen und der Wassergehalt sollte begrenzt werden (w/z-wert < 0.6). Die Verwendung von saugfähigen Schalungen (z. B. Brettschalung) reduziert die Gefahr von Schleppwasserkanälen. Das Einbringen des Betons soll mit gleichbleibender Geschwindigkeit und in möglichst gleichmässigen, horizontalen Schichten von cm Dicke erfolgen, um das Entmischen zu minimieren. Der eingebrachte Frischbeton soll rasch und gleichmässig verdichtet werden. Kiesnester Ursache Kiesnester entstehen, wenn sich der Beton z.b. wegen einer zu grossen Fallhöhe entmischt oder wenn er punktuell ungenügend verdichtet wird. Undichte Schalungen, durch die der Zementleim und der Feinstmörtel herausfliessen, sind eine weitere Ursache für Kiesnester. Auch eine zu dichte Bewehrung oder zu enge Bewehrungsabstände im Vergleich zum Grösstkorn können zu Kiesnestern oder gar unvollständig verfüllten Schalungen führen (Abb ). Kiesnester treten vor allem in den Randbereichen und in den unteren Teilen eines Betonbauteils auf. Sie fallen wegen ihrer Textur und wegen ihres dunkleren Farbtons auf. Sie stellen bei Sichtbeton (SBK 2 bis S) einen optischen Mangel dar und können die Dichtigkeit und damit die Dauerhaftigkeit beeinträchtigen. Sind die Kiesnester nur klein und ohne Auswirkung auf die Tragsicherheit und Dauerhaftigkeit, ist der Verzicht auf eine Reparatur meist sinnvoll, weil diese die Sichtbetonqualität oft empfindlich stört. Vorbeugende Massnahmen Die Entstehung von Kiesnestern kann durch folgende Massnahmen reduziert werden: Bei der Planung von Sichtbetonbauten müssen die Bauteilabmessungen in Abhängigkeit der Bewehrungsdichte und -führung sowie der Betoneigenschaften so gewählt werden, dass das Einbringen und Verdichten des Betons einwandfrei möglich ist. Der Abstand von Bewehrungsstäben soll grösser als das Grösstkorn und der Durchmesser benachbarter Bewehrungsstäbe sein. Speziell zu beachten sind Be reiche mit Bewehrungsstössen, -verankerungen und -abbiegungen im Fall hoher Bewehrungsgehalte. Der Beton sollte eine gut abgestimmte Kornzusammensetzung und eine dem Bauteil sowie der Einbringart angepasste Konsistenz aufweisen (siehe Kapitel 4.1). Der maximale Durchmesser der Gesteinskörnung sollte generell weniger als ein Drittel der minimalen Bauteildicke betragen. Die Schalung muss dicht sein, damit wenig Wasser und kein Zementleim ausfliessen kann. Die Fixierung und Abdichtung im Bereich der Betonierfugen, Schalungsstösse, Ecken, Kanten und Einlagen sind speziell zu beachten. Bei der Bewehrungsführung und der Schalungsanordnung sind Rüttelöffnungen einzuplanen, damit der Beton überall gleichmässig hineinfliessen und verdichtet werden kann. Erfolgt der Frischbetontransport mit dem Fahrmischer, bergen lange Transportzeiten eine Entmischungsgefahr. Der Beton soll unmittelbar vor dem Entladen 2 Minuten gemischt werden. Der Beton soll mit gleichbleibender Geschwindigkeit und in möglichst gleichmässig dicken, horizontalen Schichten eingebracht werden. Um das Entmischen zu vermeiden, soll die Schütthöhe höchstens 50 cm betragen (siehe Kapitel 3.4.3). Bei Wänden lässt sich durch das vorgängige Einbringen eines Vorlagebetons (Schichtdicke ca. 10 cm) mit höherem Zementgehalt und kleinerem Grösstkorn eine mögliche Entmischung des Frischbetons am Wandfuss verhindern. Bei dieser Massnahme ist ein möglicher Farbunterschied des Vorlagebetons zu prüfen. Abb : Eng verlegte Bewehrung. Abb : Rüttel- und Einfüllöffnung bei eng verlegter Bewehrung. 248 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 249

126 8. Betonschäden 8.3 Ausblühungen Abb : Typische Erscheinungsformen von Ausblühungen. 8.3 Ausblühungen Einleitung Ausblühungen sind Ausfällungen wasserlöslicher Salze, vor allem Calciumhydroxid in Form eines feinen, kristallinen Belages auf Betonoberflächen und lassen sich unterteilen in: Kalkausblühungen Kalkaussinterungen Braunverfärbungen an Betonwaren (verfärbte Kalkausblühungen) Flächige Ausblühungen am Beton treten bevorzugt im Frühjahr und im Herbst an Bauteilen aus jungem Beton auf. Kombinierte Ausblühungen mit Silikagelausscheidungen werden im Kapitel 8.8 abgehandelt. An wasserführenden Rissen können Ausblühungen und Aussinterungen unabhängig von der Jahreszeit auftreten. Kalkausblühungen einer Betonmauer Erscheinungsformen Kalkausblühungen sind in der Regel weisse, schleierartige bis fleckige feine Ablagerungen, welche die Farbe sowie das Erscheinungsbild und Aussehen einer Betonoberfläche verändern können. Auf Sichtbetonoberflächen, insbesondere auf dunklen oder eingefärbten Flächen, sind solche Ausblühungen unerwünscht. Sie beeinträchtigen jedoch weder die Festigkeit noch die Dauerhaftigkeit des Betons. Kalkaussinterungen entlang von Rissen in einer Betonmauer Entstehung und Vermeidung Kalkausblühungen Ursache Bei der Hydratation von Zement entsteht Calciumhydroxid (CaOH 2 ). Calciumhydroxid ist ein wasserlösliches Mineral, dessen Löslichkeit mit abnehmender Temperatur zunimmt. Die Porenlösung eines Betons ist mit Calciumhydroxid gesättigt. Verdunstet das Porenwasser an der Betonoberfläche, kommt das Calciumhydroxid in Kontakt mit dem natürlichen Kohlendioxid der Luft, so dass sich aus dem Calciumhydroxid Calciumcarbonat (CaCO 3 ) bildet, welches als weisses, wasserunlösliches Mineral auskristallisiert. Ca(OH) 2 + CO 2 + H 2 O CaCO H 2 O Calciumhydroxid + Kohlendioxid + Wasser Calciumcarbonat + Wasser Gl Die Reaktion des Calciumhydroxids mit dem Kohlen - dioxid aus der Luft wird als Karbonatisierung bezeichnet. Die Karbonatisierung beginnt naturgemäss an der Betonoberfläche und dringt langsam in den Zementstein hinein. Das auskristallisierende Calciumcarbonat bildet nach dem Verdunsten der Porenlösung an der Betonoberfläche die weissen Kalkausblühungen. Wandert der Verdunstungshorizont im Laufe der Zeit ins Innere der Betonrandzone, entsteht weiteres Calciumcarbonat. Das im Innern des Betonkörpers gebildete Calciumcarbonat ist dann jedoch nicht mehr als Ausblühung sichtbar (Tab ). Im Winter ist sowohl die Gefahr von weissen Kalkschleiern als auch die Gefahr von dunklen Flecken gross, da der Verdunstungshorizont entweder an der Oberfläche oder gerade unterhalb der Oberfläche liegt. Trocknet der Beton oberflächlich ab, werden die Lösungs- und Diffusionsvorgänge unterbrochen und die Aus blühfähigkeit wird bis zur nächsten Durchfeuchtung unterbunden. Wird bereits abgetrockneter Beton, insbesondere im jungen Alter, wieder durchfeuchtet, so kann Calciumhydroxid aus dem Beton gelöst werden und an der Oberfläche als Calciumcarbonat ausblühen. Wasserlachen auf horizontalen Betonoberflächen, Regenwasser oder Kondenswasser unter Plastikfolien während der Nach behandlung können deshalb Kalkausblühungen verursachen. Aus diesem Grunde ist das Ableiten von Regenwasser durch zusätzliche Massnahmen, wie ein aus reichendes Gefälle bei horizontalen Flächen oder Tropfkanten bei vertikalen Flächen, vorgängig zu planen. und unter genauer Beachtung der Herstelleranweisungen, mit säurehaltigen Spezialprodukten, wie z. B. verdünnter Aminosulfonsäure oder verdünnter Phosphorsäure, entfernen. Leichte Ausblühungen können nach Jahren von selber verschwinden, wenn das betreffende Bauteil immer wieder dem Regen (weiches Wasser, saurer Regen) ausgesetzt ist. Vorbeugende Massnahmen Ausblühungen können aufgrund der Vielzahl von Einflussgrössen oft nicht vermieden werden. Dies gilt vor allem für Sichtbeton als auch für Betonwaren. Folgende Massnahmen können das Risiko für Ausblühungen verringern: Herstellen eines möglichst dichten und rissfreien Betons Abdecken des Spaltes zwischen Schalung und Beton bei der Herstellung von Wänden und Untersichten zum Schutz gegen Niederschlagswasser Ableiten von Niederschlagswasser von angrenzenden Bereichen Ausschalen von Wandflächen nicht während oder unmittelbar vor Niederschlägen Nachbehandeln mit Folien, jedoch darf die Folie die Betonoberfläche nicht berühren, damit kein Tau- oder Kondenswasser an die Betonoberfläche gelangt Grundsätzlich keine wasserzuführende Nachbehandlungsmassnahmen Schutz des jungen Betons bei vertikalen oder geneigten Flächen vor ablaufendem Wasser. Abdecken der Wandkrone. Betonwaren und Fertigteile in den ersten Tagen nicht direkt aufeinanderstapeln Verwendung von Zementen, die latent-hydraulische und/oder puzzolanische Zusatzstoffe enthalten. Diese reduzieren den Calciumhydroxidgehalt, bzw. binden einen Teil des Calciumhydroxids in ihren unlöslichen Hydratphasen ein und reduzieren die Permeabilität des Betons. Besonders geeignet sind in dieser Hinsicht die Holcim Zemente Modero, Optimo und Robusto Auftragen einer geeigneten Hydrophobierung oder Versiegelung der Betonoberfläche Braunverfärbungen an Betonwaren (verfärbte Kalkausblühungen). Gerissene Betondecke mit Kalkaussinterungen in Form von Stalaktiten. Treten Ausblühungen nur örtlich beschränkt auf, lassen sie sich durch trockenes Abbürsten mit einem Stück Schaumglas oder, unter der Anleitung von Fachleuten 250 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 251

127 8. Betonschäden 8.3 Ausblühungen Abb : Kalkaussinterungen bei einem Riss. Abb : Braunverfärbungstest: Probe ohne Braunverfärbungspotenzial (links) und mit hohem Braunverfärbungspotential (rechts). Kalkaussinterungen Ursache Bei stetigem Wasserdurchfluss durch Risse und undichte Fugen oder durch sehr porösen Beton werden grössere Mengen Calciumhydroxid aus dem Zementstein gelöst. Beim Austritt an der Betonoberfläche bilden sich markante Ablagerungen und Krusten, sogenannte Kalkaussinterungen (Abb ). Vorbeugende Massnahmen Für Aussinterungen gelten die gleichen vorbeugenden Massnahmen wie für Ausblühungen. Jedoch ist als erste und zwingende Massnahme der Wasserzutritt durch Risse, undichte Fugen oder stark poröses Gefüge z. B. durch Injektionen oder Hydrophobierungen zu beseitigen. Braunverfärbungen an Betonwaren Ursache Eine spezielle, seltenere Form von Kalkausblühungen sind die Braunverfärbungen, oft auch Gelbverfärbungen genannt. Die Verfärbungen werden durch Lösungsvorgänge, meistens durch lösliche und oxidierbare Eisenverbindungen, kombiniert mit den Kalkausblühungen, verursacht. Dabei gelangen die löslichen Eisenverbindungen über das Porensystem des Betons an die Betonoberfläche, wo sie oxidieren. Selbst bei sehr geringen Mengen kann es zu deutlich sichtbaren gelben bis braunen Verfärbungen kommen. Die Eisenverbindungen können aus dem Zugabewasser, Sand, Zusatzstoff oder auch Zement stammen. Mit einem speziellen Braunverfärbungstest kann das Braunverfärbungspotential von Zementen bestimmt werden. Bei dieser Methode wird das Ausblühen bewusst gefördert, um so die ausblühfähigen und verfärbenden Stoffe gezielt an die Betonoberfläche zu transportieren (Abb ). Diese Ausblühungen entstehen unterschiedlich schnell in Abhängigkeit des Porensystems und der Witterungseinflüsse. Sie können erst nach jahrelanger Bewitterung auftreten, aber in seltenen Fällen auch schon bei jungen Betonwaren. Sie lassen sich nicht entfernen und sind nicht mit Rostfahnen zu verwechseln. Die Braunverfärbungen treten meist bei Betonwaren bzw. Betonelementen aus erdfeuchtem Beton auf. Diese Betone haben ein sehr poröses Gefüge mit vielen Verdichtungsporen und entsprechend höheren Wasseraufnahmen und Verdunstungsraten. Meistens entstehen die Verfärbungen unter sommerlichen Bedingungen, wenn sich Befeuchtung und Abtrocknung abwechseln können. Vorbeugende Massnahmen Das Verfärbungspotential kann mittels betontechnologischer Massnahmen reduziert werden. Die Sieblinienoptimierung der Gesteinskörnung und der Einsatz von Portlandkompositzementen, wie z. B. Optimo 4 und Robusto 4R-S, verbessern die Verdichtbarkeit der Betone und reduzieren die Porosität, beziehungsweise Durchfeuchtung des Betons. Damit werden die in Lösung gehenden Eisenverbindungen und deren Transport an die Beton oberfläche reduziert. Wird die Verdunstung be hindert, treten keine Braunverfärbungen auf. 8.4 Risse Einleitung Allgemeines Bereits im Frischbeton können Risse durch rasche Volumenverminderung der oberflächennahen Betonschicht infolge des Wasserentzugs entstehen. Dieses Austrocknen wird durch geringe Luftfeuchte, Wind, Sonneneinstrahlung und ungünstige Temperaturen begünstigt. Im jungen und erhärteten Beton hingegen können Risse entstehen, wenn die durch Eigen- und Zwangsspannungen sowie durch äussere Belastung hervorgerufenen Zugspannungen die Zugfestigkeit des Betons übersteigen. Beton weist trotz seiner hohen Druckfestigkeit eine sehr geringe Zugfestigkeit in der Grössenordnung von 2 bis 3 N/mm² auf. In einem auf Zug oder Biegung belasteten Stahlbetonbauteil übernimmt der Beton die Druckkräfte und die Bewehrung die Zugkräfte. Erst durch die Bildung von Rissen im Beton können jedoch nennenswerte Kräfte auf den Bewehrungsstahl übertragen werden. Die Rissbreiten müssen begrenzt werden, um weder die Dauerhaftigkeit, die Dichtigkeit noch das Aussehen eines Bauwerks zu beeinträchtigen. Die Anforderungen an die Rissbildung bzw. die zulässigen Rissbreiten müssen zwischen dem Planer und dem Bauherrn abgestimmt und in der Nutzungsvereinbarung festgelegt werden. Die Begrenzung der Rissbildung spielt eine wesentliche Rolle beim Entwurf, dem Festlegen des Bewehrungsgrades und der Betonier etappen und entsprechend bei den Kosten des Bauwerks. Gebrauchstauglichkeit Dauerhaftigkeit Risse stellen Schwachstellen im Betongefüge dar, durch die betonschädigende und korrosionsfördernde Stoffe je nach Breite und Tiefe der Risse rasch in das Bauteilinnere eindringen können. Um die Dauerhaftigkeit eines Bauwerks sicherzustellen, werden die in Tabelle aufgeführten maximalen Rissbreiten für die Expositionsklassen XC und XD empfohlen. Expositionsklasse Maximale Rissbreite [mm] XC1, XC2 0.4 bis 0.6 XC3, XC4 0.3 bis 0.4 XD1, XD2a 0.3 bis 0.4 XD2b, XD3 0.2 bis 0.3 Aussehen Risse mit Breiten > 0.5 mm sind auch aus einem grösseren Betrachtungsabstand (>5 m) zum Bauteil gut zu erkennen und werden meist als störend wahrgenommen. Die Rissbreitenbegrenzung nach ästhetischen Kriterien hängt direkt vom Betrachtungsabstand, der Beleuchtung, der Oberflächentextur, dem Anforderungsniveau und dem Betrachter ab. In Abbildung ist die Beurteilung der Rissbreite in Abhängigkeit vom ästhetischen Anforderungsniveau und Abstand des Betrachters dargestellt (siehe Kapitel 7.1). Rissbreite w [mm] Riss ästhetisches Anforderungsniveau niedrig Risse nicht erkennbar Betrachtungsabstand a [m] w α α hoch sehr hoch Tab : Maximale Rissbreiten für die Expositionsklassen XC und XD. Abb : Beurteilung der Rissbreite in Abhängigkeit vom ästhetischen Anforderungsniveau und dem Abstand des Betrachters. Betrachter a α = w a 252 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 253

128 8. Betonschäden 8.4 Risse 8. Betonschäden 8.4 Risse Erscheinungsformen In Tabelle sind die wichtigsten Rissarten und ihre Erscheinungsformen mit einer kurzen Beschreibung in der Reihenfolge ihrer zeitlichen Entstehung am Bauwerk aufgeführt. Für die Charakterisierung der Risse sind die nachfolgenden Punkte von Bedeutung: Ursache und vorbeugende Massnahmen Allgemeines Die wichtigsten der vielfältigen Ursachen, die zu einer Rissbildung im Beton führen können, sind in Tabelle aufgeführt: ment abbindet, d. h. direkt nach dem Einbringen und Verdichten des Betons. Im ungünstigsten Fall können diese Setzungen bis zu 1 % der Bauteildicke betragen. Da junger Beton nur eine geringe Steifigkeit aufweist, kann er bei Versätzen oder über Bewehrungsstäben aufreissen, insbesondere dann, wenn die Bewehrungsüberdeckung gering ist (Abb ). Tab : Rissarten und Erscheinungsformen. der Zeitpunkt der Rissentstehung Rissbreite (Grösse und Änderungen) Risstiefe und -verlauf im Betongefüge (z. B. V-förmig) Bewegung der Rissränder Wasserführung im Riss Verfärbung des Rissrandes Ablagerungen im oder entlang des Risses Rissart Erscheinungsform Erscheinungsform Risse im Überdeckungsbeton entlang der Bewehrung Oberflächenrisse (Netzrisse) Aufsicht Senkrecht zur Oberfläche verlaufende Risse über der oberen Bewehrung. Sie sind in einem orthogonalen Netz an ge ordnet und treten oft zusammen mit einem Hohlraum unter dem Bewehrungsstab auf. Sie können auch in Bereichen mit grossen Querschnittsänderungen auftreten und sind eine Folge des Setzens des Frischbetons. Wenig tiefe Risse senkrecht zur Oberfläche von horizontalen Bauteilen mit unregelmässiger, unterbrochener, teils treppen förmiger Rissanordnung mit variabler Rissbreite und Abständen im Dezimeterbereich. Im Allgemeinen sind diese Risse oberflächlich, können aber auch Tiefen bis zu 15 cm erreichen. Oft umranden sie die Gesteinskörner und haben ein V-förmiges Profil. Eine Ursache kann das Frühschwinden des Betons sein. Schwindrisse Aufsicht Kontinuierliche Risse senkrecht zur Oberfläche mit konstanter Öffnung. Der Rissverlauf wird hauptsächlich von der Bau - teil geometrie und der Einspannung des Bauteils bestimmt. Ursache ist das Trockenschwinden des Betons. Rissursache Frischbeton Betonzusammensetzung, Geometrie, Umgebungsbedingungen Festbeton Eigen- und Zwangsspannungen Last Exposition Beschreibung Setzen des Frischbetons, Früh- oder Kapillarschwinden, Betonieren im Gefälle Abfliessende Hydratationswärme, Trockenschwinden, Temperatur- oder Setzungsdifferenzen Ständige und veränderliche Lasten Frost- und Sulfatangriff, Alkali- Aggregat-Reaktion, Korrosion der Bewehrung Tab : Ursachen für die Rissbildung im Beton mit den entsprechenden Einwirkungen. Die Rissbildung infolge von Lasten sowie von Temperaturund Setzungsdifferenzen wird nicht detailliert betrachtet (Abb ). Die sich im Frischbeton bildenden Rissen können durch Nachverdichten und Nachbearbeitung geschlossen werden. Diese Massnahme ist jedoch nur wirksam, wenn sie zum richtigen Zeitpunkt, d. h. vor dem Erstarrungsbeginn, erfolgt. Vorbeugende Massnahmen Mit den folgenden Massnahmen kann die Rissbildung durch Setzen des Frischbetons verhindert oder begrenzt werden: Wahl einer steiferen Betonkonsistenz Verringerung der Zugabewassermenge Erhöhen des Mehlkornanteils oder Verwenden eines feiner gemahlenen Zements, um das Wasserrückhaltevermögen zu steigern und das Bluten zu verringern Betonieren von massigen Bauteilen in mehreren Schichten frisch in frisch oder langsames Betonieren. Abb : Rechtwinkliges Netz von Setzungsrissen. Trennrisse Senkrecht zur Belastungsrichtung verlaufende Risse eines durch direkten Zug belasteten Bauteils, die den gesamten Querschnitt durchtrennen. Biegerisse Nicht durchgehende Risse, die auf die Zugzone des auf Biegung beanspruchten Bauteils begrenzt sind und weitgehend senkrecht zur Haupttragrichtung verlaufen. Über die Bauteilhöhe betrachtet, beginnen die Risse am äussersten gezogenen Rand und enden am Rand der Druckzone. Abb : Risse in der Widerlagerwand einer Brücke infolge von Setzungen (mit roten Pfeilen gekennzeichnet). Schubrisse oberflächenparallele Risse (Schalenrisse) Schalenrisse Mikrorisse Netzrisse Schräg zur Bauteilachse eines Balkens verlaufende Risse (Neigung ca. 45 ). Diese Risse durchlaufen wie Biegerisse die Zugzone und enden am Rand der Druckzone. Ihre Richtung wird durch die Richtung der Hauptzugspannungen vorgegeben. Risse, die parallel zur Oberfläche verlaufen. Die Risse befinden sich im Millimeterabstand bei Frost- und im Zentimeterabstand bei Sulfat-, AAR-Schäden. Sie können auch als Folge von Spannungen zwischen Kern und Rand des Betonbauteils bei hohen Temperaturdifferenzen infolge Hydratationswärmeentwicklung entstehen. Risse infolge von Frostangriff, Sulfatangriff, Alkali-Aggregat-Reaktion sowie Korrosion der Bewehrung werden in den Kapiteln 8.5 und 8.7 bis 8.9 separat behandelt. Setzen des Frischbetons Ursache Das Setzen des Frischbetons beruht auf der Sedimentation der Feststoffe und dem gleichzeitigen Aufsteigen des Wassers an die Oberfläche aufgrund der Dichteunterschiede (siehe Kapitel 8.3). Es stellt sich ein, bevor der Ze- 254 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 255

129 8. Betonschäden 8.4 Risse Früh- oder Kapillarschwinden Ursache Bei heissen und/oder föhnigen Wetterverhältnissen können vor allem bei flächigen Betonbauteilen in den ersten Stunden nach dem Betonieren auffällige Risse entstehen. Diese Risse mit charakteristischer Verteilung und Entstehungszeit (Frühschwindrisse) werden durch das Frühoder Kapillarschwinden verursacht, solange der Beton noch nicht abgebunden hat (siehe Kapitel 3.9.2). Die Entstehung dieser Risse kann mit den Phasen 1 3 beschrieben werden (Abb ): Zusammenhalt/ Zugfestigkeit Riss Frühschwinden Phase 1: Plastischer Beton Phase 2: Grüner Beton Phase 3: Festigkeitsentwicklung Schwindspannung Zeit Abb : Entwicklung der Betonzugfestigkeit und der Schwindspannung. Trockenschwinden Phase 1: Plastischer Beton: Der frisch eingebrachte und verdichtete Beton gibt Wasser durch Bluten ab, so dass die Betonoberfläche von einem Wasserfilm bedeckt wird. Dieser Wasserfilm wird durch Verdunsten immer dünner. Wenn der Wasserfilm verschwindet, d.h. die Oberfläche abgetrocknet ist, beginnen auch die mit Wasser gefüllten Hohlräume im frischen Beton auszutrocknen. Dadurch entstehen Kapillarspannungen, die auch Schwindspannungen genannt werden. Der frische Beton zieht sich zu einem dichteren Gefüge zusammen. Der Wasserverlust ist von einer Volumenverringerung begleitet, indem sich der noch plastische Beton setzt. Phase 2: Grüner Beton: Die Schwindspannungen sind unschädlich solange der junge Beton sich plastisch verformen kann. Mit dem Ansteifen des Betons nimmt die Verformbarkeit ab, und die Schwindspannungen können die Zugfestigkeit des ansteifenden Betons überschreiten. Es können grosse, teilweise durchgehende Risse enstehen. Phase 3: Festbeton: Nach Erstarrungsende setzt die Festigkeitsentwicklung des Betons ein, die mit zunehmender Austrocknung des Betons vom Trockenschwinden begleitet wird. Die Frühschwindrisse unterscheiden sich in ihrer Breite, Tiefe und ihrem Verlauf von Trockenschwindrissen, die sich erst im erhärteten Beton ausbilden. Anstelle von netzförmigen Rissen, zeigen sich einzelne, lange Risse, die oft auch von Aussparungen oder Ecken ausgehen. Im Allgemeinen sind Frühschwindrisse oberflächlich, können aber eine Rissbreite von 1 bis 2 mm und in ungünstigen Fällen das Bauteil durchtrennen (Abb ). Horizontale Bauteile (Decken- und Bodenplatten) mit grosserer Verdunstung ausgesetzter Oberfläche, sind durch das Früh- oder Kapillarschwinden besonders gefährdet. Neben der ästhetischen Beeinträchtigung des Betons, können die Risse auch die Frostschäden fördern. Zusätzlich kann der Verlust von Wasser die ausreichende Hydratation des Zements beeinträchtigen. Die Betonoberfläche weist dadurch einen Festigkeitsverlust, eine hohe Porosität und eine Tendenz zum Absanden auf. In ungünstiger Umgebung wird ein solcher Beton eine ungenügende Dauerhaftigkeit aufweisen. Vorbeugende Massnahmen Je höher die Verdunstungsrate an der Oberfläche ist, desto grösser ist das Risiko der Frühschwindrissbildung. Diese wird erhöht durch Wind, hohe Temperaturen und niedrige relative Luftfeuchtigkeit. Die wichtigste vorbeugende Massnahme ist die frühzeitige und geeignete Nachbehandlung, die detailliert in den Kapiteln 3.6 und 4.4 beschrieben wird. Es wird empfohlen, eine Zwischennachbehandlung durchzuführen. Abb : Tiefer Riss infolge Frühschwinden. Abfliessende Hydratationswärme Ursache Risse infolge abfliessender Hydratationswärme entstehen innerhalb der ersten Tage nach dem Betonieren, wenn die durch Eigen- und Zwangsspannungen hervorgerufenen Zugspannungen die Zugfestigkeit des Betons überschreiten (siehe Abb ). Erhärtende Bauteile werden in Abhängigkeit von der Art des Bauwerkes, der Verbindung mit bereits erhärteten Bauteilen, den Abmessungen und dem Bauablauf in ihrer Verformung behindert. Daraus entsteht ein Risiko der Rissbildung (Tab ). Risse infolge abfliessender Hydratationswärme werden vor allem bei massigen Bauteilen mit einer Dicke von über 50 cm beobachtet. Beim Grossteil der üblichen Decken und Wände im Hochbau ist die abfliessende Hydratationswärme praktisch vernachlässigbar. Vorbeugende Massnahmen Risse infolge abfliessender Hydratationswärme können durch betontechnologische und zusätzliche Massnahmen vermieden oder begrenzt werden. Betontechnologische Massnahmen: Die betontechnologischen Massnahmen dienen zur Begrenzung der Höchsttemperatur T max und der Temperaturdifferenz T max (Tab ). Es wird empfohlen, die Höchsttemperatur T max von 60 C nicht zu überschreiten und die Temperaturdifferenz T max auf 20 Kelvin zu begrenzen. Massnahmen zur Begrenzung der Höchsttemperatur T max : Verwendung eines Zements mit niedriger Hydratationswärmeentwicklung (LH) oder einer niedrigen Festigkeitsklasse Verwendung eines Portlandkompositzements oder Ersatz eines Teils des Zements durch reaktive Betonzusatzstoffe wie Flugasche Begrenzung der Frischbetontemperatur (Lagerung der Gesteinskörnung im Schatten und Berieselung mit Wasser, Betonieren in den frühen Morgenstunden) Parken der Fahrmischer im Schatten und Berieselung der Mischertrommel mit Wasser Kühlen des Betons durch das Einbetonieren von Leitungen, in denen kaltes Wasser zirkuliert (Auswirkungen auf T max und T max wenn die Kühlschlangen im Kern angeordnet sind) Absenken der Frischbetontemperatur im Fahrmischer durch das Kühlen mit Stickstoff Ursache Erscheinungsform Verformungsbehinderung durch Element selbst Max. Temperatur differenz T max im Bauteil querschnitt Schalenrisse Tab : Verformungsbehinderung und Rissbildung infolge abfliessender Hydratationswärme. Massnahmen zur Begrenzung der Temperaturdifferenz T max : Ausschalen des Betons zum Zeitpunkt der Höchsttemperatur vermeiden, um einen Temperaturschock beim Ausschalen (rasche Abkühlung der Betonoberfläche) zu vermeiden. Dies ist insbesondere wichtig bei tiefen Umgebungstemperaturen und bei massigen Bauteilen. Verwendung von Dämmmatten. Dadurch werden die Temperaturdifferenzen im Bauteil geringer und der Temperaturabfall während der Abkühlung verlangsamt. Zugspannungen treten dadurch später auf, wenn die Zugfestigkeit bereits höher ist. Bei massigen Bauteilen kann es sinnvoll sein, die Höchsttemperatur abzuwarten (1 bis 2 Tage) bevor die Dämmmatten aufgelegt werden. Zusätzliche Massnahmen: Die zusätzlichen Massnahmen zielen darauf ab, das Entstehen von Rissen durch eine Verringerung des Einspanngrades, d. h. der Verformungsbehinderung, zu vermeiden und die Rissbreite bei zugelassener Rissbildung zu beschränken. Diese Massnahmen sind identisch mit denen zur Begrenzung des Schwindens und werden im nachfolgenden Abschnitt Schwinden näher behandelt. Schwinden Ursache Wenn das autogene Schwinden und das Trockenschwinden behindert werden oder wenn das Trockenschwinden nicht gleichmässig im gesamten Querschnitt auftritt, entstehen Zugspannungen, die zur Rissbildung führen können (siehe Kapitel 3.9.2). Die Entstehung der Risse hängt stark von der Geometrie und dem Einspanngrad des Bauteils ab. Die Rissbreite und die Rissverteilung werden durch geometrische Aspekte und die Bewehrung bestimmt. Vorbeugende Massnahmen Schwindrisse können durch betontechnologische und zusätzliche Massnahmen vermieden oder begrenzt werden. Verformungsbehinderung durch ältere Nachbarelemente Max. Betontemperatur T max Trennrisse 256 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 257

130 8. Betonschäden 8.4 Risse Betontechnologische Massnahmen: a) b) Wahl einer stetigen Sieblinie, um den Hohlraumgehalt und den Wasseranspruch der Gesteinskörnung zu minimieren Reduktion des Wassergehalts mit Hilfe von Fliessmitteln Einsatz eines Schwindreduktionsmittels Frühzeitige und sorgfältige Nachbehandlung Schwindgasse 4 3 Abb : Wahl der Beto nieretappen bei einer Stützmauer (Längsansicht). a) Ungünstige Lösung: erhöhtes Rissrisiko. b) Günstige Lösung: geringes Rissrisiko. Zusätzliche Massnahmen: Vermeidung von Verzahnungen mit dem Erdreich durch die Anordnung einer Gleitschicht aus z. B. Sand oder doppelt gelegter Folie (Abb ) Aufnahme von Spannungen an einspringenden Ecken und Öffnungen durch Zusatzbewehrung (Abb ) Begrenzung der Rissbildung durch Anordnung von Fugen. Die Abstände der Fugen hängen dabei von einer Vielzahl von Faktoren ab, z. B. Art des Baugrundes, erwartete Bauteilbewegungen, Lagerung des Baukörpers, Bauablauf und Betonierabfolge, Baukörpergeometrie, Bewehrung und Hydratationswärmeentwicklung des Betons Einplanen von Schwindgassen (Abb und Abb ). Sehr effiziente Massnahme auch bei abfliessender Hydratationswärme im Zeitraum von 5 15 Tagen Sorgfältige Planung der Betonierabschnitte. Die Anzahl und der zeitliche Abstand der einzelnen Bauabschnitte sollten möglichst gering gehalten werden, um die unter schiedlichen Schwindverformungen benachbarter Abschnitte, die sich gegenseitig behindern, zu minimieren Beschränkung der Rissbreite durch Bewehrung. Einlegen einer ausreichenden Mindestbewehrung für eine feine Rissverteilung (fein verteilte Risse mit geringer Breite beeinträchtigen die Dauerhaftigkeit weniger und werden in der Regel besser toleriert als wenige Risse mit grosser Breite) Abb : Rissbildung im Anschlussbereich Stütze Bodenplatte infolge Kerbspannungen (oben), Zusatzbewehrung zur Vermeidung der Rissbildung (unten). Rissrisiko Rissursache Zeitpunkt des Auftretens Betonzusammensetzung Setzen des Frischbetons Früh- oder Kapillarschwinden abfliessende Hydratationswärme Trockenschwinden Setzen des Baugrunds Einfluss unterschiedlicher Massnahmen Nachbehandlung Bewehrung vor dem Erstarrungsbeginn sehr hoch kein kein vor und während des Erstarrungsbeginns nach dem Erreichen der Höchsttemperatur (3 bis 10 Tage nach dem Betonieren) einige Wochen bis einige Jahre nach dem Betonieren mittel sehr hoch kein sehr hoch sehr hoch mittel hoch hoch sehr hoch während der Nutzung kein kein sehr hoch AAR nach frühestens 10 bis 15 Jahren sehr hoch kein mittel <2h Tab : Einfluss verschiedener Massnahmen auf das Rissbildungsrisiko. Abb : Anordnung einer Gleitschicht unter einer Bodenplatte zur Verringerung der Reibung. Betonplatte Gleitschicht Untergrund Sulfate während der Nutzung (je nach Beton) sehr hoch mittel kein Abb : Schwindgasse bei einem grossen Gebäude. 258 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 259

131 8. Betonschäden 8.5 Schäden durch Frost- und Frost-Tausalzangriff 8.5 Schäden durch Frost- und Frost- Tausalzangriff Abb : Schäden infolge Abplatzungen über nicht frostbeständigen Gesteinskörnern Einleitung Schäden durch Frost- und Frost-Tausalzangriff stören nicht nur das optische Erscheinungsbild, sondern reduzieren die Dauerhaftigkeit des Überdeckungsbetons. Frost- und Frost-Tausalzschäden können somit zu weiteren Folgeschäden führen, wie z. B. Korrosion der Bewehrung, erhöhtem Abrieb und Verschleiss der Oberfläche Erscheinungsformen Allgemeines Frost- und Frost-Tausalzschäden entstehen in der Regeln in den ersten Winterperioden nach der Erstellung eines Betonbauteiles. Sie treten in Form von Oberflächenschäden und inneren Gefügeschäden auf: Absanden und Abblättern der Betonoberfläche lokale Abplatzungen über nicht frostbeständigen Gesteinskörnern, Kantenabbrüche und Risse flächige Abplatzungen Risse im tieferliegenden Zementstein Oberflächenschäden können visuell beurteilt werden. Innere Gefügeschädigungen können hingegen z. B. an Bohrkernen mittels mikroskopischer Analyse oder über E-Modul-Messungen festgestellt werden (Abfall des E-Moduls). Absanden und Abblättern der Betonoberfläche Die Oberflächenabwitterung in Form von Absanden oder Abblättern dünner Schichten ist die am häufigsten beobachtete Schadensform des Frostangriffs. In Verbindung mit Streusalzen kann sich die Abwitterung signifikant erhöhen (Abb ). Lokale Abplatzungen, Kantenausbrüche Eine lokale Abplatzung an der Oberfläche, ein sogenannter pop-out, kann in den meisten Fällen auf eine nicht frostbeständige Gesteinskörner zurückgeführt werden. Solche Gesteinskörner sind i. d. R. sehr porös und nehmen Wasser auf. Tonige Gesteinskörner können zudem aufquellen. Die Zerstörung des Gesteinskorns bewirkt an der Oberfläche ein kraterförmiges Ablösen der darüberliegenden Zementsteinschicht (Abb ). Anforderungen an Gesteinskörner sind in den Normen SN EN und SN definiert (siehe Kapitel 6.2). Flächige Abplatzungen und Risse Bei flächigen Abplatzungen und Rissen wird ein grosser Teil der oberflächennahen Gesteinskörnung herausgelöst. Flächige Abplatzungen treten bei ungenügender bis schlechter F- und FT-Beständigkeit auf (Abb ). In Abhängigkeit vom Sättigungsgrad entstehen beim Gefrieren im Zementstein Spannungen, die zu Mikrorissen führen. Im weiteren Verlauf kann die Schädigung durch wiederholte Frost-Tau-Wechsel voranschreiten, da sich die Wassersättigung durch die schon entstandenen Schäden zunehmend erhöht und die Spannungen beim Gefrieren weiter ansteigen (siehe Abb ). Visuelle Beurteilung der Frosttausalzbeständigkeit In Abbildung sind Beispiele für unterschiedliche Frosttausalzbeständigkeiten in drei Kategorien hoch, mittel und ungenügend von Betonoberflächen mit einem Alter von mehr als 10 Jahren dargestellt. Abb : Flächige Abplatzungen an einem Betonrandstein. Hohe Frosttausalzbeständigkeit: keine Veränderungen der Zementhaut keine Abplatzungen keine erkennbaren Risse Entstehung und Vermeidung Frostbeanspruchung Während des Gefrierens von Wasser im porösen Zementstein laufen mehrere Vorgänge ab, die den Frostwiderstand entscheidend beeinflussen: Volumenzunahme des Wassers Gefrierpunkterniedrigung des Wassers in kleinen Poren Diffusionsvorgänge von Wasser im porösen Zementstein Alle genannten Einflüsse hängen von der Art und Menge der Poren und insbesondere von der Porengrössenverteilung ab. Die Schädigung von Beton durch Frostangriff ist durch komplexe Zerstörungsmechanismen gekennzeichnet. Mittlere Frosttausalzbeständigkeit: Veränderung der Zementhaut durch Absanden und geringfügiges Abblättern keine Abplatzungen keine erkennbaren Risse Abb : Mikroskopische Aufnahme eines Betons mit inneren Gefügeschäden in Form von gesteinskornumrandenden Rissen. ren, zugänglichen Poren zur Verfügung steht, entsteht ein innerer Druck. Wird dieser Druck grösser als die Zugfestigkeit des Betons, kommt es zu einer Sprengwirkung (Abb ). Wasser Ungenügende Frosttausalzbeständigkeit: Zementhaut vollflächig abgetragen Abplatzungen und Kantenabbrüche erkennbare Risse Volumenzunahme beim Gefrieren +9% Eis Sprengwirkung Abb : Beispiele für unterschiedliche Frosttausalzbeständigkeiten von Beton oberflächen mit einem Alter von mehr als 10 Jahren. Abb : Volumenzunahme beim Gefrieren von Wasser. Volumenzunahme des Wassers Beim Phasenübergang von Wasser zu Eis kommt es auf Grund der Dichteanomalie des Wassers zu einer Volumenzunahme von 9 %. Wenn im porösen Zementstein kein ausreichender Ausdehnungsraum in Form von lee- 260 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 261

132 8. Betonschäden 8.5 Schäden durch Frost- und Frost-Tausalzangriff Tab : Porenfüllgrad und Gefrierpunkt des Porenwassers in Abhängigkeit der Porenart. Porenart Porendurchmesser Porenfüllgrad* Gefrierpunkt Verdichtungsporen > 1 mm leer Künstlich eingeführte Mikroluftporen Kapillarporen Gelporen 30 μm bis 300 μm 30 nm bis 30 μm < 30 nm leer und nicht durch kapillares Saugen füllbar teilweise durch Kondensation gefüllt und durch kapillares Saugen fast vollständig befüllbar vollständig durch Kondensation gefüllt 0 bis 20 C 20 C bis 90 C Schichtweises Gefrieren Durch Frosttausalzbeaufschlagung und weitere Bewitterung (Auswaschen und Durchfeuchten) können die Tausalze in tieferliegende Betonschichten transportiert werden. Häufig sind die Salzkonzentrationen an der Beton oberfläche geringer als in grösserer Tiefe. In einigen Fällen entsteht in einer Tiefe von mm ein Bereich mit der höchsten Salzkonzentration. In diesem Bereich hat die Porenlösung dank dem erhöhten Salzgehalt eine tiefere Gefriertemperatur, auch Gefrierpunkt genannt, als in der oberflächennahen Schicht (0 10 mm). Temperaturschock Ein Temperaturschock entsteht, wenn Tausalze auf einer gefrorenen Betonfläche eingesetzt werden. Die Schmelzwärme für das Eis wird der oberflächennahen Betonschicht entzogen, wodurch es zu einem schnellen Temperatursturz in dieser Schicht kommt und Eigenspannungen im Betongefüge aufgebaut werden. Die dabei auftretende schockartige Abkühlung der Betonoberfläche kann z. B. bis zu 14 Kelvin in 1 bis 2 Minuten betragen. Die dadurch verursachten Zugspannungen liegen dann im Bereich der Betonzugfestigkeit und darüber. * Zustand unter baupraktischen Bedingungen, d. h. relative Luftfeuchtigkeit von %. Gefrierpunkterniedrigung des Wassers in kleinen Poren Wäre ein Beton vollständig wassergesättigt, müsste das Gefüge bereits beim ersten Gefrieren zerstört werden. Praktische Erfahrungen zeigen jedoch, dass bei Betonen mit ausreichender Betonqualität erst nach vielen Frost- Tau-Wechseln eine Schädigung einsetzt, auch wenn sie zuvor durch kapillares Saugen gesättigt wurden. Es wird beobachtet, dass Wasser im Beton weder schlagartig noch überall gleichzeitig gefriert. Der Porenfüllgrad mit Wasser und der Gefrierpunkt dieses Porenwassers sind vom Porendurchmesser abhängig. Mit abnehmendem Durchmesser steigt der Porenfüllgrad und sinkt der Gefrierpunkt des Porenwassers (Tab ). Dementsprechend gefriert Wasser zuerst in den Kapillarporen und bildet Eis, während es gleichzeitig in den Gelporen noch flüssig ist. Pumpeffekt Durch wiederholte Frost-Tau-Zyklen entsteht ein sogenannter Pumpeffekt, der mit einer zunehmenden Sättigung des Betons verbunden ist. Das Wasser gefriert zuerst in den grösseren Poren. Da der Dampfdruck über dem Wasser grösser ist als über dem Eis, wandert das noch ungefrorene Wasser aus den Kapillarporen in die grösseren Poren und gefriert dort. Damit findet eine Entwässerung der Kapillarporen und eine Eisansammlung in den grösseren Poren statt. Beim Auftauen schmilzt das Eis zuerst an der Betonoberfläche, während im Betoninneren das Porenwasser in den grossen Poren noch gefroren ist. Die erwärmte Betonrandzone dehnt sich aus und saugt das Schmelzwasser über die leeren Kapillarporen auf. Beim erneuten Gefrieren beginnt der Prozess von vorne. Frost-Tausalzbeanspruchung Dringen Tausalze in den Beton ein, wird der Gefrierpunkt des Porenwassers so erniedrigt, dass es erst bei Temperaturen deutlich unter 0 C gefriert. Tausalze wirken hygroskopisch, d. h. sie können aus der Luft Feuchtigkeit aufnehmen. Dadurch nimmt der Feuchtigkeitsgehalt im salzbelasteten Beton zu. Der höhere Sättigungsgrad, gerade im oberflächennahen Bereich, erhöht die Frostempfindlichkeit des Betons. Durch den Einsatz von Tausalzen werden die physikalischen Schadensmechanismen der reinen Frostbeanspruchung noch verstärkt durch: Schichtweises Gefrieren Temperaturschock Fällt die Betontemperatur unter Null Grad, gefriert zunächst die Porenlösung in der oberflächennahen Betonschicht und später in den tiefer liegenden Schichten. Die Betonschicht mit der höchsten Tausalzkonzentration gefriert aber erst nach der darunterliegenden nicht salzbelasteten Betonschicht (20 30 mm). So kann die Porenlösung der mittleren Betonschicht bei weiterem Frost nicht mehr in andere Bereiche ausweichen und es baut sich ein Druck durch die Eisbildung auf. Als Folge wird die oberflächennahe Betonschicht abgesprengt (Abb ). Betonoberfläche gefrorene Schicht gefriert später gefrorene Schicht Tiefe [mm] T Schäden durch andere Taumittel Beim Einsatz von Acetaten und Formiaten (Enteisungsmittel) kommt es zu einem sprunghaften Anstieg des ph-wertes der Porenlösung. Der Zementstein wir angegriffen und eine Alkali-Aggregat-Reaktion der Gesteinskörnung kann hervorgerufen werden. Vorbeugende Massnahmen Frost- und Frosttausalzschäden können mit Hilfe von betontechnologischen Massnahmen und gegebenenfalls zusätzlichen Massnahmen vermieden werden (siehe Kapitel 6.2). 0 C Betontemperatur (T B ) Gefriertemperatur (T G ) Temperatur (T) +T T B < T G T B > T G T B < T G Tiefe [mm] Tausalzkonzentration Chloridtiefenprofil Abb : Schichtweises Gefrieren des Betons infolge Tausalz einwirkung. Abb : Räumerbahn einer Kläranlage mit hoher Frost-Tausalzbelastung. 262 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 263

133 8. Betonschäden 8. Betonschäden 8.6 Schäden durch chemisch lösenden Angriff 8.6 Schäden durch chemisch lösenden Angriff Angriffsart Betonschädigender Stoff Vorkommen Wirkung Schwache organische oder mineralische Säuren Organische Säuren: Gerbsäure, Essigsäure, Milchsäure, Fettsäure, Ameisensäure, Huminsäure Phenole Ethanol Industrie, Lebensmittelindustrie, Landwirtschaft, Haushalt, Böden, Moorwässer Mittel- und Schweröle aus Destillation von Teer Biotreibstoff Lösen der calciumhaltigen Bestandteile des Zementsteins Tab : Übersicht der chemisch lösenden Angriffsarten Einleitung Ein chemisch lösender Angriff kann durch die Einwirkung von Säuren, austauschfähigen Salzen, weichem Wasser oder starken Basen stattfinden (Tab ). Der chemisch lösende Angriff erfolgt fortschreitend von der Betonoberfläche nach innen. Dabei werden Bestandteile des Zementsteins und ggf. der Gesteinskörnung durch die eindringenden Stoffe aufgelöst und anschliessend ausgelaugt (Abb ). In der Literatur wird für den chemisch lösenden Angriff häufig auch der Begriff Betonkorrosion verwendet Erscheinungsformen Schäden durch einen chemisch lösenden Angriff sind in der Regel gekennzeichnet durch einen Abtrag (Erosion) der Betonoberfläche (Abb bis 8.6.3). Starke Mineralsäuren Biogene Säuren Mineralsäuren: Kohlensäure, schweflige Säure Salzsäure, Schwefelsäure, Salpetersäure Aminosäuren Stoffwechselprodukte (starke Säuren) Industrie, Grundwasser, saurer Regen, Kanalisationsrohre Industrie, Landwirtschaft (Silage-Silos) Pilze, Flechten, Algen Bakterien im Abwasser, Kanalisationen und Abwasserreinigungsanlagen Lösen aller Bestandteile des Zementsteins und der carbonathaltigen Gesteinskörnung Verseifen des Calciumhydroxids des Zementsteins Lösen aller Bestandteile des Zementsteins und der carbonathaltigen Gesteinskörnung Abb : Chemisch lösender Angriff auf den Beton. Austauschfähige Salze Lösungen von Magnesiumund Ammoniumsalzen Mineralisiertes Grund wasser, Industrie, Landwirt schaft, Abwasser - reinigungs anlagen Bildung von leicht löslichen Calciumsalzen mit Calciumhydroxid Der Angriffsgrad wird durch die Art, Konzentration und Menge der chemisch aggressiven Flüssigkeit und die Löslichkeit, d.h. Auswaschbarkeit der sich bildenden Salze im Beton bestimmt. Der Schadensfortschritt hängt deshalb auch von der Porosität des Betons ab, welche das Eindringen der aggressiven Flüssigkeiten und das Auswaschen des Zementsteins bestimmt. Daneben wird der Angriffsgrad auch von der Temperatur und der Fliessgeschwindigkeit der angreifenden Lösung beeinflusst. Abb : Erosion der Betonoberfläche an Wand und Boden in einer Kläranlage. 30 mm Weiches Wasser Starke Basen Wasser < 7 fh (französische Härte) Konzentrierte Lösungen starker Basen (Natron- und Kalilauge) Acetate, Formiate Regenwasser, Oberflächenwasser, Schmelzwasser Chemische Industrie Enteiser für Flugzeuge Lösen und Auswaschen der calciumhaltigen Phasen im Zementstein Lösen der Aluminatverbindungen im Zementstein und der kieselsäurehaltigen Gesteinskörner 0 mm 0.5 mm 1 mm 2 mm 4 mm EG 0 EG 1 EG 2 EG 3 EG 4 EG 0 1 EG 1 2 EG 2 3 EG 3 4 Abb : Oberflächenangriff in einem Klärbecken. (Quelle: Betonsuisse Marketing AG, Bern) Entstehung und Vermeidung Säuren Beim Angriff durch Säuren werden die Hydratphasen des Zementsteins unter Bildung von löslichen Ca-, Al- und Fe- Salzen sowie Kieselsäure aufgelöst. Für den Angriffsgrad ist ausser der Konzentration der Säure in erster Linie der ph-wert massgebend. Beim chemisch lösenden Angriff wird hauptsächlich der Zementstein geschädigt. Bei starkem Säureangriff sind aber auch die säurelöslichen Gesteinskörner betroffen. Beim Kontakt mit Säure werden die Hydratphasen aus dem Zementstein des Betons gelöst und es bildet sich eine Auslaugzone, aus der die Lösungsprodukte (Ca-, Al- und Fe-Salze) ausgewaschen werden. Als unlöslicher Rückstand bleibt ein amorphes SiO 2 -Gel zurück. Diese unlöslichen Rückstände bilden eine Schutzhülle an der Betonoberfläche, weil die aggressive Flüssigkeit nicht mehr direkt in Kontakt mit dem noch intakten Beton kommt, sondern durch die Gelschicht diffundieren muss. Hinter der Gelschicht liegt der Auslaugbereich, der durch eine Verarmung an Calciumhydroxidionen gekennzeichnet ist, d. h. einen niedrigeren ph-wert der Porenlösung als im noch intakten Beton aufweist. Die eigentliche Reaktionsfront liegt in der Auslaugzone zwischen der Gelschicht und dem noch intakten Beton. Mit der Zeit verlangsamt sich die Reaktion, da die Gelschicht dicker wird. Wird diese hingegen zerstört oder durch Reinigen entfernt, dringt die Reaktionsfront tiefer in den Beton ein. 264 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 265

134 8. Betonschäden 8.6 Schäden durch chemisch lösenden Angriff Abb : Aufbau einer Schutzhülle aus amorphen, unlöslichen Rückständen an der Betonoberfläche. Biogene Schwefelsäure Schwefelwasserstoff (H 2 S) kann sich z. B. über Ab wässern in Kanalisationen oder im Gasraum von Biogasanlagen durch bakterielle Zersetzung von Eiweiss in Abwesenheit von Sauerstoff bilden. Wird er nicht durch Entlüftung ab geführt, schlägt er sich auf kalten Oberflächen nieder und kann unter Mitwirkung von Mikroorganismen Schwefels äure bilden, die den Beton stark angreift. Ammoniumchlorid 2 NH 4 Cl + Ca(OH) 2 CaCl NH H 2 O Ammoniumchlorid + Calciumhydroxid Calciumchlorid + Ammoniak + Wasser Gl mm Kalklösende Kohlensäure Kohlensäure ist eine schwache Säure und tritt vor allem in Gebirgswässern und in Grundwässern auf. Die Aggressivität von kohlensäurehaltigen Wässern hängt nicht nur vom ph-wert, sondern vor allem von ihrer Zusammen setzung ab. Im Wasser stellt sich ein Gleichgewicht zwischen dem gelösten Calciumhydrogencarbonat und der freien, zugehörigen Kohlensäure ein. Der Anteil an freier Kohlensäure, der nicht für das Gleichgewicht mit dem vorhandenen Calciumhydrogencarbonat benötigt wird, ist imstande, neuen Kalk zu lösen und wird daher kalk lösende Kohlensäure genannt. Das Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht wird vom Gehalt an freier Kohlensäure im Wasser, der Wassertemperatur, der Härte und der Wasserstoff- und Fremdionenkonzentration beeinflusst. Hartes Wasser benötigt einen höheren Gehalt an freier Kohlensäure, damit ein Teil davon kalklösend wirken kann. Deshalb ist das Risiko eines Kohlensäureangriffes bei weichen Wässern in der Regel grösser als bei harten Wässern. Biogene Säuren Mikroorganismen benötigen zum Leben organische und anorganische Verbindungen unterschiedlicher Zusammensetzungen und je nach Art bestimmte ph-wert- Bedingungen. Die zum Leben notwendige Energie wird aus Sonnenlicht, organischem Material oder oxidierbaren bzw. reduzierbaren anorganischen Verbindungen gewonnen. Die meisten Mikroorganismen scheiden beim Stoffwechsel organische oder anorganische Säuren aus, welche den Zementstein angreifen können. Bei der biologischen Abwasserreinigung in kommunalen Kläranlagen bildet sich auf den Betonwänden der Belebungsbecken eine gelatinöse Bakterienschicht (Biofilm) aus. Je nach Sauerstoffgehalt der Luft, Abwasserzusammensetzung und Denitrifikationsprozesse können durch Nitrifikation in diesem Biofilm sehr tiefe ph-werte entstehen, die einen Säureangriff der Betonoberfläche verursachen. Austauschfähige Salze Wässrige Lösungen von Magnesium- und Ammoniumsalzen (mit Ausnahme von Magnesium- und Ammoniumhydrogencarbonaten, -oxalaten und -fluoriden) wirken lösend auf den Beton. Dabei wird das Calcium des Calciumhydroxids im Zementstein mit Magnesium, bzw. Ammonium ausgetauscht, so dass sich ein leichtlösliches Calciumsalz bildet, welches ausgewaschen werden kann. Magnesiumchlorid MgCl 2 + Ca(OH) 2 CaCl 2 + Mg(OH) 2 Magnesiumchlorid + Calciumhydroxid Calciumchlorid + Magnesiumhydroxid Gl Bakterien H 2 S Abb : Biogene Schwefelsäurekorrosion in einem Betonkanalisationsrohr. Magnesiumhydroxid ist eine weiche, gallertartige Masse, die eine Schutzhülle gegen einen weiteren Angriff darstellt, sofern sie nicht durch strömendes Waser abgetragen wird. Die Ammoniumsalze zersetzen sich im alkalischen Milieu zu Ammoniak und entweichen, so dass keine Schutzhülle aufgebaut wird und der Angriff unverändert weitergehen kann. Weiches Wasser Schmelzwasser, Regen, Oberflächenwasser und selten Quellwasser enthalten nur wenig gelöste Calcium- und Magnesiumsalze. Diese nicht oder nur schwach mineralisierten, sogenannten weichen Wässer, mit einem Härtegrad < 7 französische Härte (fh) können Calciumhydroxid und Alkalien aus dem Zementstein lösen. Weitere im Wasser vorhandene Ionen können die Lösungsgeschwindigkeit des Calciumhydroxids beeinflussen. Die alkalischen Bestandteile des Zementsteins sind nur bei einem ph-wert von > 12.5 beständig und können schon im ph- Wert Bereich 7 12 zersetzt werden. Calciumhydroxid, das im Beton als Hydratationsprodukt des Zementsteins sowohl in fester als auch in gelöster Form vorkommt, wird von weichem Wasser gelöst und ausgewaschen. Gleichzeitig schreitet die Hydratation des Zementes weiter fort, so dass erneut Calciumhydroxid gebildet wird. Sobald der Zement vollständig hydratisiert ist und kein Calciumhydroxid mehr gebildet werden kann, sinkt der ph-wert unter 12.5, so dass die Hydratphasen des Zementsteins instabil werden und zerfallen. Bei andauernder Einwirkung wird der Zementstein ausgelaugt. Starke Basen Der Zementstein wird von basischen Flüssigkeiten geringer Konzentration nicht angegriffen. Konzentrierte Lösungen starker Basen, wie z. B. Natronlauge (> 10 %) oder Kalilauge (> 20 %), lösen dagegen die Aluminatverbindungen des Zementsteins. Konzentrierte Lösungen starker Basen können auch kieselsäurehaltige Gesteinskörnungen anlösen. Vorbeugende Massnahmen Schäden infolge chemischen Angriffs können mit Hilfe von betontechnologischen Massnahmen und ggf. zusätzlichen Massnahmen vermieden werden (siehe Kapitel 6.3). Abb : Geologische Härtekarte der Schweiz. Skala: weiss 0 15 fh, gelb: fh, rot: > 25 fh. (Quelle: Abb : Trinkwasserreservoir (Innenansicht). 266 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 267

135 8. Betonschäden 8.7 Schäden durch Sulfatangriff 8.7 Schäden durch Sulfatangriff Erscheinungsformen Sulfatangriffe können durch folgende Schadensbilder charakterisiert sein: Abb : Verfärbungen und Absanden der Beton oberfläche. Sulfatkristallisation und Absanden der Oberfläche Rissbildung und Abplatzungen an der Oberfläche Risse im Innern des Betongefüges Zerstörung des Betongefüges Abb : Auswirkungen von chemisch treibendem Angriff auf den Beton. Tab : Überblick der verschiedenen Formen von Sulfatangriff Einleitung Der Sulfatangriff auf den Beton ist ein komplexer Vorgang, der sowohl chemische als auch physikalische Prozesse miteinander verbindet und der sowohl treibend als auch lösend wirken kann. Der treibende Angriff führt zu einer Volumenzunahme des Betons (Abb ). Je nach Sulfatquelle wird zwischen externem und internem Sulfatangriff unterschieden (Tab ). Angriffsart Betonschädigender Stoff Vorkommen Wirkung treibender externer Sulfatangriff lösender externer Sulfatangriff Sulfatlösungen Sulfatlösungen Grundwasser, Böden Grundwasser, Böden Reaktion gelöster Sulfationen mit C 3 A-Phase des Zement steines unter Volumen zu nahme zu Ettringit und anderen Sulfatphasen Reaktion gelöster Sulfat ionen mit den CSH-Phasen zu Thaumasit und anderen Sulfatphasen verbunden mit einem lösenden Angriff Sulfatkristallisation und Absanden der Oberfläche Die von aussen in den Beton eindringenden Sulfatlösungen reagieren mit dem Zementstein. Die Sprengwirkung der dabei entstehenden Sulfatkristalle führt zum Absanden und Abblättern der Betonoberfläche, auf der weissliche bis gelbbraune Ausblühungen und Verfärbungen auftreten (Abb ). Rissbildung und Abplatzungen an der Betonoberfläche Ein fortschreitender Sulfatschaden zeigt sich durch eine zunehmende Rissbildung an der Betonoberfläche. Die Reaktionsfront kann mit der Zeit bis tief ins Innere des Betons führen. Das typische Rissbild besteht aus Netz- und Schalenrissen, die zu Abplatzungen führen (Abb ). Risse im Innern des Betongefüges Die Ettringitbildung ist mit einer Volumenzunahme des Zementsteins verbunden, so dass sich dieser von der Gesteinskörnung ablöst. Das Betongefüge zeigt ein charakteristisches, enges Rissnetz, das zur kompletten Zerstörung des Betons führt (Abb ). Zerstörung des Betongefüges Die Bildung von Thaumasit vor allem bei tieferen Temperaturen verursacht eine vollständige Umwandlung des Zementsteins in eine weiche, breiartige Masse mit sehr geringer Festigkeit (Abb ). Abb : Risse und Abplatzungen der Betonoberfläche. Abb : Risse in der Kontakt zone Gesteinskorn Zementstein. Abb : Zerstörung des Betongefüges an einem ausgegrabenen Bohrpfahl. treibender interner Sulfatangriff Sulfate, Sulfide (Gips, Anhydrit, Pyrit, Pyrrhotin) Sulfatphasen im Zementstein Gesteinskörnung, Verunreinigungen in Gesteinskörnung oder Zugabewasser Beton, der hohen Temperaturen während der Erhärtung ausgesetzt ist (hohe Hydra tationswärme, Warmbe handlung) Reaktion gelöster Sulfationen mit C 3 A-Phase des Zement steines unter Volumenzu nahme zu Ettringit Umwandlung von Monosulfat und -carbonat im erhärteten Zementstein unter Volumenzunahme zu Ettringit 268 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 269

136 8. Betonschäden 8.7 Schäden durch Sulfatangriff Entstehung und Vermeidung Externer Sulfatangriff Beim externen Sulfatangriff kann das Sulfat aus verschiedenen Quellen, wie z. B. Grundwasser und Böden stammen. Die daraus entstehenden Sulfatschäden sind in ihren Abläufen sehr unterschiedlich und können in drei Reaktionen unterteilt werden: Sekundäre Ettringitbildung Gipsbildung Thaumasitbildung Sekundäre Ettringitbildung Im Gegensatz zur primären, schadlosen Ettringitbildung, welche während der Erhärtung im Frischbeton stattfindet, führt bei der sekundären Ettringitbildung die Reaktion der aluminatischen Bestandteile des ausgehärteten Zementsteins, wie z. B. C 3 A, C 4 AF oder Monosulfat und -carbonat, mit der eindringenden Sulfatlösung zu Schäden im Festbeton. Der sich bildende Ettringit kann bis zum 8-fachen des Volumens seiner Ausgangsstoffe expandieren. Deshalb führt diese Reaktion zunächst zu einer Gefüge ver dichtung des Betons und einem Anstieg der Druck festigkeiten. Später aber führt der steigende Kristallisationsdruck zu Rissen im Beton. Wichtige Faktoren für die sekundäre Ettringitbildung bei externem Sulfatangriff sind: Dringen Magnesiumsulfatlösungen in den Beton ein, bildet sich neben Gips und sekundärem Ettringit auch Brucit (Mg(OH) 2 ). Durch die Bildung des Brucits wird die treibende Wirkung des Sulfatangriffes verstärkt. Zudem ist sie von einem ph-wertabfall begleitet, so dass die Calciumsilikathydratphasen (CSH-Phasen) im Zementstein instabil werden. Neben dem Treibeffekt kann deshalb zusätzlich ein chemisch lösender Angriff beobachtet werden. Thaumasitbildung Thaumasit ist ein Calciumsilikatsulfatcarbonathydrat (CaSiO 3 CaSO 4 CaCO 3 15 H 2 O) und bildet sich durch die Reaktion der Sulfatlösung mit den CSH-Phasen des Zementsteins in Anwesenheit von Calciumcarbonat (Gesteinskörnung, Kalksteinmehl, karbonatisierter Zementstein) und Calciumsilicat (Zementstein). Im Gegensatz zur Ettringit- oder Gipsbildung ist diese Umwandlung nur mit einem schwachen Treibeffekt verbunden und führt zu einem weichen, breiartigen Betongefüge. Wichtige Faktoren, welche die Thaumasitbildung fördern, sind: Temperaturen meistens unter 15 C, bevorzugt Temperaturen um ca. 5 8 C ständige Zufuhr einer wässrigen Sulfatlösung auch mit geringer Konzentration Anwesenheit von Calciumcarbonaten Anwesenheit von Calciumsilikaten Interner Sulfatangriff Ein interner Sulfatangriff entsteht, wenn das Sulfat in den Ausgangsstoffen des Betons vorhanden ist. Die wichtigsten sulfathaltigen Ausgangsstoffe sind Schwefelverbindungen in der Gesteinskörnung (Anhydrit, Gipsstein, Pyrit), gipshaltiges Mischgranulat oder stark sulfathaltiges Zugabewasser. Die Schadensreaktionen laufen wie beim externen Sulfatangriff ab. Verzögerte Ettringitbildung Die verzögerte Ettringitbildung kann vor allem bei Betonen in Fertigteilwerken auftreten, die einer Warmbehandlung mit einer Temperatur zwischen C unterzogen wurden oder bei massigen Bauteilen mit einer Bauteildicke 80 cm. Bei hohen Temperaturen (> 60 C) entsteht im erhärtenden Beton vorwiegend Monosulfat und -carbonat (Monophasen) anstelle von Ettringit. Bei einer späteren Durchfeuchtung des Bauteils können die Monophasen zusammen mit verfügbarem Sulfat aus dem Zementstein den sogenannten verzögerten Ettringit bilden. Charakteristisch für die verzögerte Ettringitbildung sind Risse in der Kontaktzone Gesteinskorn Zementstein. Die Rissbreite nimmt mit zunehmendem Durchmesser der Gesteinskörnung zu (Abb und 8.7.8). Vorbeugende Massnahmen Sulfatschäden können mit Hilfe von betontechnologischen Massnahmen und ggf. zusätzlichen Massnahmen vermieden werden (siehe Kapitel 6.3). Für die Vermeidung der verzögerten Ettringitbildung ist auf eine Beschränkung der Wärmeentwicklung im Beton zu achten. Unterschiedlicher Angriffsgrad der Sulfationen, in absteigender Folge: MgSO 4, Na 2 SO 4, K 2 SO 4, CaSO 4 Sulfatbeständigkeit nimmt ab mit zunehmendem C 3 A-Gehalt des Portlandzementklinkers Hohe Kapillarporosität des Betons fördert das Eindringen von Sulfatlösungen und schwächt dessen Sulfatwiderstand Gesteinskorn Zementstein Gipsbildung Eine weitere expansive Sulfatreaktion, das Gipstreiben, kann im Beton vor allem bei sehr hohen Sulfatkonzentrationen stattfinden. Bei dieser Art des Sulfattreibens reagiert das Calciumhydroxids im Zementstein mit den Sulfationen der eindringenden Lösung unter Bildung von Gips, was mit einer Volumenzunahme verbunden ist. Das Auftreten von Gipstreiben wird durch folgende Faktoren gefördert: hoch konzentrierte Sulfatlösung ständige Zufuhr einer wässrigen Sulfatlösung mit geringerer Konzentration Zemente mit hohem Klinkergehalt Abb : Elektronenmikroskopische Aufnahme einer Betonprobe mit Thaumasitschaden. Der Zementstein zersetzt sich und wird porös (dunkle Löcher ) unter Ausbildung von Thaumasit (als helle stengelige Kristalle erkennbar). Die Zerstörung des Zementsteines führt zum Festigkeitsverlust. Abb : Typische Rissbildung bei verzögerter Ettringitbildung. Abb : Gerissene Betonplatte infolge verzögerter Ettringitbildung. 270 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 271

137 8. Betonschäden 8. Betonschäden 8.8 Schäden durch Alkali-Aggregat-Reaktion 8.8 Schäden durch Alkali-Aggregat- Reaktion Abb.8.8.1: Voraussetzungen für die Alkali- Aggregat-Reaktion Einleitung Unter Alkali-Aggregat-Reaktion (AAR) wird die Reaktion der Gesteinskörner mit den Alkalien der Porenlösung des Betons verstanden. Voraussetzungen für die Reaktion ist das Zusammentreffen von einer alkaliempfindlichen Gesteinskörnung, einem ausreichenden Alkaligehalt und einer ausreichenden Feuchtigkeit des Betons (Abb ). AAR Alkalireaktive Gesteinskörnung Betonfeuchtigkeit Feuchtigkeit Die Entstehung der AAR hängt hauptsächlich von den Feuchtigkeitsverhältnissen im Bauwerk ab. Sie schreitet fort, solange ein minimaler Feuchtigkeitsgehalt und ausreichend Alkalien vorhanden sind. Dieser minimal notwendige Feuchtigkeitsgehalt ist abhängig vom Alkaligehalt der Porenlösung und liegt bei einer Betonfeuchte von etwa % relativer Luftfeuchtigkeit. Bei dicken und massigen Bauteilen (> cm Dicke), die nie vollständig austrocknen, ist die Eigenfeuchtig keit ausreichend hoch genug für die Entwicklung einer AAR. Die Durchfeuchtung des Betons durch Trennrisse infolge behinderten Schwindens und Frost- oder Korrosionsschäden verstärkt und damit die Alkali-Aggregat-Reaktion im Beton gefördert werden. Abb : Typische Netzrisse bei AAR: Rötliche Verfärbungen der Betonoberfläche, dunkle Ausblühungen (links), weisse Kalk-Ausblühungen, bräunlich-gelbe Ränder (rechts). Rissentwicklung Mit fortschreitender Schadensentwicklung können sich in unterschiedlicher Tiefe, oft auf der Bewehrungsebene, oberflächenparallele Schalenrisse bilden (Abb ). Zwischen dem Auftreten von Schalenrissen im Querschnitt eines Bauteils und den an der Betonoberfläche sichtbaren Rissen (Breite, Tiefe) besteht kein Zusammenhang, so dass anhand des an der Oberfläche sichtbaren Rissbildes keine Rückschlüsse auf den Zustand des Betons im Kern oder auf der Rückseite eines Bauteils möglich sind. Abb Ausbildung eines Schalenrisses, sichtbar an einer bewehrten Stützmauer. Alkalien, Alkalihydroxide (aus Porenlösung oder externer Quelle) Alkalireaktive Gesteinskörnungen Die häufigsten Schweizer Gesteine, welche sich als reaktiv erwiesen haben, sind kieselige Kalke, sandige Kalke, Sandsteine, Grauwacken, Gneise, Mylonite, Quarzite, Schiefer. Diese Gesteinsarten kommen beinahe in allen Schweizer Gesteinskörnungen in variablen Anteilen vor Erscheinungsformen Oberflächiges Schadensbild In vielen Fällen zeigen sich am Bauwerk typische netzartige Rissbilder, begleitet von auffälligen weissen oder dunklen Ausblühungen (Abb ). Die Betonoberfläche ist meistens rötlich verfärbt und die Risse weisen oft bräunlich-gelbe bis dunkelgraue Ränder auf. An Bruchflächen können in den reaktiven Gesteinskörnern dunkle Reaktionsränder beobachtet werden (Abb ). Die AAR kann zu einer zunehmenden Zerstörung des Betons führen, in dem sich ein engmaschiges Rissnetz mit klaffenden Rissen und Versätzen ausbildet (Abb ). Die AAR führt zu heterogen verteilten Schäden innerhalb der betroffenen Bauteile. Neben Festigkeitsverlusten können auch Nachfolgeschäden wie erhöhtes Korrosionsrisiko der Bewehrung und Frosttausalzschäden auftreten (Abb ). Die Gebrauchstauglichkeit eines Bauwerkes kann rasch beeinträchtigt werden, wenn die Verformungen den Betrieb stören. Abb : Betonzerstörung infolge AAR: engmaschiges Rissnetz mit klaffenden Rissen und Versätzen. Alkalien Die Alkalien (Kalium und Natrium) in der Porenlösung des Betons stammen vorwiegend aus dem Zement und den Zusatzstoffen. Der Einfachheit halber wird der Alkaligehalt mit dem sogenannten Na 2 O-Äquivalent (Na 2 O-eq = 1 M.-% Na 2 O M.-% K 2 O) angegeben. Die Alkalien, welche an der Reaktion teilnehmen, werden aktive Alkalien genannt. In Betonen mit verwitterten kristallinen Gesteinskörnungen können Alkalien auch z. B. von den Feldspäten und Glimmern stammen. Alkalien können ebenfalls von aussen über Streusalz, Grundwasser oder Bergwasser in den Beton eingetragen werden. Der Eintrag hängt von den Umgebungsbedingungen, aber auch von der Dichtigkeit des Betons ab. Abb : Dunkle Ränder von alkalireaktiven Gesteinskörnern auf einer Bohrkernbruchfläche : Frostschaden als Folgeschaden in einem AAR-geschädigtem Beton. 272 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 273

138 8. Betonschäden 8.8 Schäden durch Alkali-Aggregat-Reaktion Abb : Silikatgelablagerungen in Rissen und einer Luftpore des geschädigten Betons. (Aufnahme: UV-Licht) Entstehung und Vermeidung Die Geschwindigkeit, mit der sich ein AAR-Schaden entwickelt, ist variabel und hängt von den Einflussgrössen wie Betonqualität, Gesteinskörnung, Exposition des Bauteils (v. a. Durchfeuchtung, Temperaturzyklen), Bewehrung usw. ab. Je höher der Alkaligehalt der Porenlösung des Betons ist, desto höher ist auch der Gehalt an Hydroxid-Ionen (ph-wert). Durch diese Hydroxid-Ionen wird die Kieselsäure der Gesteinskörnung angegriffen und es bildet sich ein Alkali-Calcium-Silikat-Hydrat, das allgemein als Gel bezeichnet wird (Abb ). Die Löslichkeit der Kieselsäure hängt von ihrer Kristallstruktur ab: amorphe Kieselsäure (z. B. Opal, Silex, in kieseligen Kalken und kieseligen Sandsteinen) ist löslicher als kristallisierte Kieselsäure (Quarz) mit einem mehr oder weniger fehlerfreien Kristallgitter (z. B. in Sandsteinen, Gneisen). Es gibt deshalb verschiedene Arten von alkali-reaktiven Gesteinskörnern, die sich im Schadensausmass und der Entwicklungsgeschwindigkeit der Reaktion unterscheiden. Die Schweizer Gesteinskörnungen gehören in der Regel zu den langsam reagierenden Gesteinskörnungen. Zementstein Riss Luftpore Gesteinskorn Das Gel kann relativ grosse Mengen an Wasser aufnehmen. Übersteigt der so entstehende Expansionsdruck die Zugfestigkeit des Gesteinskorns, entstehen im Beton Risse, die sich an der Oberfläche durch charakteristische, meist netzartige Rissbilder zeigen. Risse infolge AAR quer durch Gesteinskörner und Zementstein schwächen das Betongefüge massiv und führen zu starken Festigkeitsverlusten (Abb ). Vorbeugende Massnahmen AAR-Schäden können mit Hilfe von betontechnologischen Massnahmen und ggf. zusätzlichen Massnahmen vermieden werden (siehe Kapitel 6.4). 8.9 Schäden durch Korrosion der Bewehrung Einleitung Die Korrosion der Bewehrung in Stahlbeton und aller korrodierbaren, metallischen Einbauteile tritt nur unter bestimmten Randbedingungen auf. Sie kann durch die geeignete Dicke und Qualität des Überdeckungsbetons während der geplanten Nutzungsdauer verhindert werden. Es können aber auch Bewehrungsstähle mit erhöhtem Korrosionswiderstand eingesetzt werden, wenn besonders hohe Anforderungen erfüllt werden müssen (siehe Kapitel 3.10) Erscheinungsformen Betonoberfläche Je nach Ausmass wird die Bewehrungskorrosion in Form von Rostfahnen auf der Betonoberfläche oder durch Abplatzungen des Überdeckungsbetons sichtbar (Abb ). Rostfahnen auf der Bauteiloberfläche sind das erste sichtbare Zeichen. Durch die Bildung von Rost (Eisenhydroxid) vergrössert sich das Volumen des Stahls um das 2.3-fache. Der dabei entstehende Druck führt zur Bildung von Rissen im Überdeckungsbeton und in fortgeschrittenem Stadium zu Abplatzungen über den korrodierenden Bewehrungsstäben. Bewehrung Die Bewehrung erleidet durch die Korrosion einen Querschnittsverlust. Dieser hat einen direkten Einfluss auf die Tragsicherheit des Bauteils. Es wird zwischen einem flächigen Abtrag durch Korrosion infolge Karbonatisierung und punktuellem Lochfrass durch chloridinduzierte Korrosion unterschieden. Die Querschnittsschwächung durch Lochfrass ist in der Regel wesentlich stärker ausgeprägt und damit kritischer (Abb ). Während die flächige Bewehrungskorrosion durch Abplatzungen des Überdeckungsbetons sichtbar wird, findet Lochfrasskorrosion häufig unbemerkt und ohne an der Oberfläche sichtbare Zeichen statt. Gesteinskorn Abb : Risse infolge AAR quer durch Gesteinskörner und Zementstein. (Aufnahme: UV-Licht). Riss Gesteinskorn Zementstein Abb : An der Betonoberfläche sichtbare Korrosionsschäden eines Stahlbetonbauteils: Rostfahne (links), Betonabplatzung über der korrodierenden Bewehrung (rechts). Abb : Korrosionsschäden der Bewehrung: gleichmässiger Korrosionsabtrag des Bewehrungsstahls durch Karbonatisierung (oben), lokaler Korrosionsabtrag (Lochfrass) durch Chloride, nur sichtbar nach dem Freilegen der Bewehrung (unten). 274 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 275

139 8. Betonschäden 8.9 Schäden durch Korrosion der Bewehrung Entstehung und Vermeidung Bewehrungsstahl ist im alkalischen, unkarbonatisierten und chloridfreien Beton dauerhaft vor Korrosion geschützt. Dieser Schutz ist in erster Linie auf die hohe Alkalität der Porenlösung des Zementsteins zurückzuführen, deren ph-wert je nach Art und Menge des verwendeten Zementes und ggf. verwendeter Zusatzstoffe (z. B. Flugasche, Silikastaub) zwischen 12.5 und 13.5 liegt. Auf der Stahloberfläche bildet sich bei hohen ph-werten und in Anwesenheit von Sauerstoff eine wenige Nanometer dicke, beständige Eisenoxidschicht (Passivschicht, Passivierung des Stahls), welche die Korrosion des Stahls verhindert. Der Korrosionsschutz beruht im Wesentlichen nicht auf der Dicke, sondern auf der Dichte, Porenfreiheit und Haftung der Passivschicht. Die schützende Passivschicht auf der Stahloberfläche kann durch zwei Vorgänge zerstört werden, welche massgebend von der Dicke und der Qualität des Überdeckungsbetons sowie von den Umgebungsbedingungen beeinflusst werden: Als Folge der Karbonatisierung sinkt die Alkalität der Porenlösung des Zementsteins auf einen ph-wert < 10 und verursacht eine flächige Depassivierung der Stahloberfläche Es tritt ein kritischer Chloridgehalt in der Porenlösung des Betons auf, infolge des Eindringens von Tausalzen, Meerwasser etc.. Die Chloride durchdringen die Passivschicht an einzelnen Stellen und führen zu einer lokalen Depassivierung der Stahloberfläche Die Bewehrungskorrosion setzt ein, wenn drei Bedingungen erfüllt sind: Zerstörung der Passivschicht des Bewehrungsstahls (Depassivierung) Verfügbarkeit von Feuchtigkeit (elektrische Leitfähigkeit des Betons) Verfügbarkeit von Sauerstoff Bei ständig wassergesättigten oder ständig trockenen Bauteilen ist das Risiko der Bewehrungskorrosion gering, da entweder kein Sauerstoff oder keine Feuchtigkeit vorhanden sind. Regelmässige Feuchtigkeitswechsel dagegen erhöhen das Korrosionsrisiko. Das Vordringen von Kohlendioxid (CO 2 ), Chloriden (Cl ), Wasser (H 2 O) und Sauerstoff (O 2 ) bis zur Bewehrung wird durch Risse ab einer Rissbreite von ca mm begünstigt. Risse sind jedoch nicht zwingend Voraussetzung für das Auftreten von Bewehrungskorrosion. zusammen ein sogenanntes Korrosionselement. Vergleichbar mit einer kurzgeschlossenen Batterie liegen dabei die Anode (oxidierender Bereich) und die Kathode (reduzierender Bereich) nebeneinander und sind aufgrund der Betonfeuchtigkeit elektrisch leitend miteinander verbunden (Abb ). Es findet ein Stromfluss statt und damit einhergehend der Materialabtrag des Bewehrungsstahls (Rost) an der Anode. Sind Anode und Kathode mikroskopisch klein und liegen nah beieinander, wird von einem Mikroelement gesprochen. Dies führt zu einem flächigen, gleichmässigen Stahlabtrag und ist typisch für Korrosion infolge Karbonatisierung (Abb a). Liegen Anode und Kathode örtlich weiter voneinander entfernt und haben grössere Abmessungen wird von einem Makroelement gesprochen. Makroelemente treten in der Regel bei chloridinduzierter Korrosion, die zu Loch frass führt, auf (Abb b). Neben der Bildung von Rost entsteht bei der kathodischen Teilreaktion Wasserstoff, welcher in den Bewehrungsstahl eindringt und zu einer Versprödung des Stahls führen kann. Begünstigt wird dieser Vorgang durch das Vorhandensein einer grossen Stahlzugspannung, wie er vor allem bei hochfestem Spannstählen vorliegt. Es wird dann von der sogenannten wasserstoffinduzierten Spannungsrisskorrosion gesprochen. Spannungsrisskorrosion entsteht, wenn der Baustoff eine hohe Zugspannung aufweist und gleichzeitig ein Korrosionsangriff erfolgt. CO 2 H 2 O Abb a): Korrosion aufgrund von Karbonatisierung im ungerissenen Beton, Anode und Kathode liegen dicht beieinander (Mikroelement), flächige Korrosion. O Cl H 2 O O 2 Karbonatisierter Beton Depassivierung Chloride im Beton Sie ist besonders kritisch, da das Versagen der korrosionsgeschwächten Bewehrung in der Regel schlagartig ohne Vorankündigung eintritt. In einem gerissenen Beton können Chloride leichter eindringen und der Beton karbonatisiert lokal schneller im Rissbereich. Dadurch werden die oben beschriebenen Vorgänge intensiviert (Abb ). Der Korrosionsstrom ist umso stärker, je grösser der Potentialunterschied zwischen Anode und Kathode ist. Der durch die Stahloberfläche fliessende anodische Teilstrom ist dabei ein Mass für die Intensität der Korrosion. Er kann durch Potentialmessungen quantitativ bestimmt werden. Potentialmessungen sind immer durch Sondieröffnungen und die Bestimmung der Karbonatisierungstiefe und des Chloridgehalts zu über prüfen und zu kalibrieren. CO 2, H 2 O, O Abb a): Korrosion aufgrund von Karbonatisierung im gerissenen Beton: im Riss schreitet die Karbonatisierung schneller voran, Anode und Kathoden liegen im Rissbereich dicht beieinander (Mikroelement). Cl, H 2 O, O 2 Karbonatisierter Beton Depassivierung Chloride im Beton Vorbeugende Massnahmen und Grundprinzipien für die Instandsetzung Der Korrosionsschutz der Bewehrung ist wesentlich für die Dauerhaftigkeit von Stahlbetonbauten. Im Neubau wird er über die Dicke und Qualität des Überdeckungsbetons (Widerstand gegen das Eindringen von CO 2 und Chloriden) sichergestellt (siehe Kapitel 3.10). Bei bestehenden Bauten kann die Wiederherstellung des Korrosionsschutzes mit unterschiedlichen Methoden erreicht werden. Ziel aller Massnahmen ist es, Korrosion zu vermeiden, indem entweder die anodische oder die kathodische Teilreaktion unterbunden wird. Dabei werden die folgenden Grundprinzipien für den Korrosionsschutz der Bewehrung angewendet. Repassivierung des Bewehrungsstahls Durch das Einbetten des Bewehrungsstahls in einen ze mentgebundenen Instandsetzungsmörtel oder -beton wird der ph-wert wieder angehoben, so dass sich erneut eine Passivschicht auf der Stahloberfläche (Repassivierung) bildet. Beschichtung der Stahloberfläche Durch das Aufbringen einer geeigneten Beschichtung, z. B. eines Korrosionsschutzanstrichs auf Epoxidharzbasis, wird die anodische Eisenauflösung verhindert. Die elektrische Leitfähigkeit der Oberfläche des Bewehrungsstahls wird aufgehoben, so dass kein Korrosionselement mehr entstehen kann. Kathodischer Korrosionsschutz (KKS) Durch gezielte Beaufschlagung der Bewehrung mit Fremdstrom und/oder die Anordnung von sogenannten Opfer- oder Inertanoden wird erreicht, dass die gesamte Bewehrung kathodisch wirkt und damit die Korrosion der Bewehrung verhindert wird. Die Korrosion findet ausschliesslich an der Opferanode statt. Inhibitoren Inhibitoren sind organische und anorganische Verbindungen, die bei ausreichender Konzentration die Korrosion von Stahl im Beton verhindern, verlangsamen oder zum Stillstand bringen. Sie können dem zementgebundenen Instandsetzungsmörtel oder -beton zugegeben werden oder auf den bereits erhärteten Festbeton nachträglich appliziert werden. Je nach Art sind Inhibitoren kathodisch und/oder anodisch wirksam. Absenkung des Wassergehaltes Durch die Absenkung des Wassergehaltes des Betons wird die elektrische Leitfähigkeit und damit der Ionenfluss so stark reduziert, dass die Korrosionsgeschwindigkeit auf praktisch vernachlässigbare Werte sinkt. Eine Hydrophobierung der Betonoberfläche verhindert z. B. das Eindringen von Wasser und Chloriden bei gleichzeitiger Austrocknung des Betons (siehe Kapitel 7.1.4). Die Korrosionsvorgänge von metallischen Werkstoffen sind elektrochemische Prozesse, die aus einer anodischen Teilreaktion (Oxidationsprozess) und einer kathodischen Teilreaktion (Reduktionsprozess) zusammengesetzt sind. Diese beiden Reaktionen laufen gleichzeitig und mit gleicher Geschwindigkeit (Stromdichte) auf der Stahloberfläche ab. Bei der Bewehrungskorrosion entstehen aktiv korrodierte Bereiche neben passiven Zonen und bilden + Depassivierung Abb b): Korrosion aufgrund von Chloriden im ungerissenen Beton: Anode und Kathode liegen weiter entfernt (Makroelement), Lochfrass. + Depassivierung Abb b): Korrosion aufgrund von Chloriden im gerissenen Beton: die Anode liegt im Rissbereich, die Kathode liegt weiter entfernt im ungerissenen Beton (Makroelement), Lochfrass. 276 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 277

140 Anhang Glossar Glossar A äquivalenter Wasserzementwert Masseverhältnis des wirksamen Wassergehaltes zur Summe aus Zementgehalt und k-fach anrechenbaren Anteilen von Zusatzstoffen. Alkali-Aggregat-Reaktion (AAR) Chemische Reaktion zwischen den alkalireaktiven Bestandteilen der Gesteinskörnung und den im Beton enthaltenen Alkalien. Es entsteht ein Alkalisilikatgel, das bestrebt ist, Wasser aufzunehmen. Dies führt zu einer Volumenvergrösserung. Die dabei auftretenden Spannungen können das Betongefüge schädigen. Alkalien Substanzen, die mit Wasser alkalische Lösungen bilden. Alkalien gehören zur Gruppe der Basen (Laugen). Ausblühungen Auskristallisieren von Salzen auf der Betonoberfläche, auch Effloreszenz genannt. Autogenes Schwinden Volumenabnahme von Beton, verursacht durch Hydratation des Zementes bei geringen w/z-werten (innere Selbstaustrocknung). B Beton Mineralischer Baustoff, erzeugt durch Mischen von Zement, feiner und grober Gesteinskörnung und Wasser, mit oder ohne Zugabe von Zusatzstoffen oder Zusatzmitteln. Beton nach Eigenschaften Beton, für den die geforderten Eigenschaften und ggf. zusätzliche Anforderungen dem Hersteller gegenüber festgelegt sind. Der Hersteller des Betons ist verantwortlich für die Bereitstellung eines Betons, der den geforderten Eigenschaften und ggf. zusätzlichen Anforderungen entspricht. Beton nach Zusammensetzung Beton, für den die Zusammensetzung und die Ausgangsstoffe, die verwendet werden müssen, dem Hersteller vorgegeben werden. Der Hersteller ist verantwortlich für die Lieferung eines Betons mit der festgelegten Zusammensetzung. Betonfamilie Eine Gruppe von Betonen, für die ein verlässlicher Zusammenhang zwischen den massgebenden Eigenschaften festgelegt und dokumentiert ist. Betonfertigteil Bauteil aus bewehrtem oder nicht bewehrtem Beton, das im Werk oder bauseits hergestellt und nachträglich in seine endgültige Lage versetzt wird. Betonstahl Stahl, der zur Verwendung als schlaffe Bewehrung geeignet ist. Bewehrung Einlagen in Beton, meist aus Betonstahl und Spannstahl. Bewehrungsüberdeckung Abstand der Oberfläche der Bewehrung von der Betonoberfläche. Bluten Absondern von Zugabewasser, Zement und Feinststoffen auf der Frischbetonoberfläche als Folge einer ungeeigneten Betonzusammensetzung. C Charakteristische Festigkeit Festigkeitswert, den erwartungsgemäss 5 % der Grundgesamtheit aller möglichen Festigkeitsmessungen der Menge des betrachteten Betons, z. B. im Beurteilungszeitraum, unterschreiten. CO 2 Kohlendioxid (CO 2 ) ist eine chemische Verbindung aus Kohlenstoff und Sauerstoff und zählt zu den Treibhausgasen. Es entsteht z. B. in der Zementindustrie prozessbedingt durch den Einsatz von fossilen Brennstoffen und rohstoffbedingt durch das Brennen von Kalkstein und Mergel/Ton. Chloridgehaltsklasse Einteilung eines Betons bezüglich des Chloridgehaltes der Ausgangsstoffe in normierte Klassen, z. B. für Spannbeton Cl Chloridwiderstand Materialkennwert für die Widerstandsfähigkeit eines Betons gegenüber dem Eindringen von Chloriden, der in einer normierten Chlorideindringprüfung ermittelt wird. D Druckfestigkeit Materialkennwert für die Widerstandsfähigkeit eines Betons gegenüber der Einwirkung von äusseren Druckkräften, der in einer normierten Druckfestigkeitsprüfung ermittelt wird. Druckfestigkeitsklasse Einteilung eines Betons bezüglich der Druckfestigkeit nach 28 Tagen in normierte Klassen, z. B. für Normalbeton C16/20 bis C100/115. E Elastizitätsmodul Materialkennwert, der den Zusammenhang zwischen Spannung und Dehnung bei der Verformung eines festen Körpers bei linear elastischem Verhalten beschreibt und in einer normierten Druckprüfung ermittelt wird. Erstprüfung Prüfung, die bei Produktionsbeginn einer neuen Betonsorte oder einer Produktionseinrichtung als erste Prüfung unter Produktionsbedingungen durchgeführt wird, um zu ermitteln, wie ein neuer Beton oder eine neue Betonfamilie zusammengesetzt sein und hergestellt werden müssen, sowie alle festgelegten Anforderungen im frischen und erhärteten Zustand erfüllen werden. Expositionsklasse Einteilungskategorie für Betonbauteile, welche die Umwelteinflüsse und die sich daraus ergebenden Gefährdungen bezüglich Dauerhaftigkeit beschreibt. F Fahrmischer Betonmischer, der im Allgemeinen auf einem selbstfahrenden Fahrgestell montiert und in der Lage ist, einen gleichmässig gemischten Beton herzustellen und auszuliefern. Faserbeton Beton mit Bewehrung in Form beigemengter metallischer, nichtmetallischer anorganischer oder organischer Fasern, die im Vergleich zum Grösstkorn der Gesteinskörnung ähnlich lang und sehr dünn sind. Festbeton Beton, der weitgehend oder vollständig erhärtet ist. Filler (Gesteinsmehle) Inaktive anorganische Zusatzstoffe vom Typ I. Sie werden als Gesteinsmehle (Quarzmehle, Kalksteinmehle) bezeichnet, deren über wiegender Teil der Körner durch das mm-Sieb hindurchgeht. Frischbeton Beton, der fertig gemischt ist, sich noch in einem verarbeitbaren Zustand befindet und verdichtet werden kann. Frost-Tausalzwiderstand Materialkennwert für die Widerstandsfähigkeit eines Betons gegenüber Frost- und Tauwechseln unter Einwirkung eines Taumittels, der in einer normierten Frost- Tausalzprüfung ermittelt wird. G Gesamtwassermenge Die Gesamtwassermenge ist die Summe aus dem Zugabewasser, dem in der Gesteinskörnung und auf dessen Oberfläche aufgenommenen Wasser, dem Wasser in Zusatzmitteln und Zusatzstoffen, wenn diese in wässriger Form verwendet werden, und dem Wasser von zugefügtem Eis oder einer Dampfbeheizung. Gesteinskörnung Gemenge von Gesteinskörnern unterschiedlicher Grösse, das für die Verwendung in Beton oder Mörtel geeignet ist. Gesteinskörnung kann aus natürlichen Vorkommen oder durch Rezyklieren von Baustoffen gewonnen oder künstlich hergestellt werden. H Hochfester Beton Beton mit einer Druckfestigkeitsklasse von C55/67 bis C100/115 für Normalbeton und Schwerbeton sowie mit einer Druckfestigkeitsklasse von LC55/60 bis LC80/88 für Leichtbeton. Hydratation Chemische Reaktion des Zementes mit Wasser, bei der die Klinkermineralien des Zementes in wasserhaltige Verbindungen, die sogenannten Hydratphasen, umgewandelt werden. 278 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 279

141 Anhang Glossar Hydratationsgrad Materialkennwert, der die Menge des durch Zement chemisch gebundenen Wassers angibt. Hydratationswärme Wärmemenge, die sich auf Grund der Hydratation eines Zementes während eines festgelegten Zeitraumes entwickelt. K Kapillarschwinden Auch als Frühschwinden oder plastisches Schwinden bezeichnet, entsteht durch Kapillarspannungen während der Verdunstung von Wasser aus dem noch frischen Beton und führt zu einer Volumenabnahme des Betons. Karbonatisierung Reaktion der alkalischen Bestandteile des Zementsteines mit dem CO 2 aus der Luft. Als Folge sinkt der ph-wert der Poren lösung des Betons und der Korrosionsschutz des unlegierten Betonstahls geht verloren. Karbonatisierungswiderstand Materialkennwert für die Widerstandsfähigkeit eines Betons gegenüber dem Eindringen von CO 2 (Karbonatisierung), der in einer normierten Schnellkarbonatisierungsprüfung ermittelt wird. Konsistenz Materialkennwert, der die Verarbeitbarkeit und Verdichtbarkeit des Frischbetons beschreibt. Konsistenzklasse Einteilung eines Betons bezüglich der Konsistenz je nach Prüfmethode in normierte Klassen, z. B. für das Ausbreitmass F1 bis F6. Korngemisch Gesteinskörnung, die aus einer Mischung von feiner Gesteinskörnung (Sand) und grober Gesteinskörnung (Kies) besteht. L Leichtbeton Beton mit einer Trockenrohdichte von nicht weniger als 800 kg/m 3 und nicht mehr als 2000 kg/m 3. Er wird ganz oder teilweise unter Verwendung von leichter Gesteinskörnung hergestellt. Leichte Gesteinskörnung Gesteinskörnung mineralischer Herkunft mit einer Kornrohdichte von max kg/m 3. Leistungserklärung Leistungserklärung beinhaltet die wesentlichen Leistungsmerkmale eines Bauproduktes, die mit den zugrunde liegenden harmonisierten Normen übereinstimmen müssen. Luftgehalt Volumen an kapillar nicht füllbaren Poren, d. h. Verdichtungsporen und natürlich eingeschlossene Luftbläschen sowie künstlich eingeführte Mikroluftporen. Luftporenbeton Beton, der unter Verwendung von Luftporenbildnern hergestellt worden ist. M Massenbeton Beton für Bauteile mit Dicken über etwa 80 cm. Mehlkorngehalt Summe aus dem Zementgehalt, dem in den Gesteinskörnungen enthaltenen Kornanteil bis mm sowie ggf. dem Gehalt an Betonzusatzstoffen. Mikroluftporen Luftporen mit einem Durchmesser von 10 μm bis 300 μm, die während des Mischens durch Zugabe eines Luftporenbildners gezielt im Beton erzeugt werden. N Nachbehandlung Massnahme, um den Beton unverzüglich und solange gegenüber Wasserverlust und äusseren Einflüssen zu schützen, bis er insbesondere in der Betonrandzone eine genügende Festigkeit erreicht hat. Normalbeton Beton mit einer Trockenrohdichte über 2000 kg/m 3, höchstens aber 2600 kg/m 3. Normale Gesteinskörnung Gesteinskörnung mit einer Kornrohdichte grösser als 2000 kg/m 3 und kleiner als 3000 kg/m 3. Nutzungsdauer Zeitspanne, während der ein bestehendes Bauwerk gemäss der Nutzungsvereinbarung in Betrieb bleibt. P Portlandzementklinker (Zementklinker, kurz: Klinker) ist der gebrannte Bestandteil des Zements, dessen Mineralphasen mit Wasser hydraulisch reagieren und zur Erhärtung des Zementes führen. Pumpbeton Frischbeton, der durch Rohrleitungen zur Einbringstelle gepumpt wird. Puzzolane Puzzolane sind künstliche oder natürliche Stoffe, die aufgrund ihrer kieselsäurehaltigen oder alumosilicatischen Zusammensetzung als Bindemittel verwendet werden können. Zu den natürlichen Puzzolanen zählen magmatische Gesteine (Tuff, Trass) oder Sedimentgesteine. Künstliche Puzzolane sind gebrannte Tonerde, Silkastaub oder Flugaschen. R Restwasser Auch Recyclingwasser genannt; Wasser, das beim Waschen des Betonmischers und der Fahrmischer im Betonwerk anfällt und nach Aufbereitung zur Betonproduktion wiederverwendet wird. Rohdichteklasse Einteilung eines Betons bezüglich der Trockenrohdichte, z. B. für Normalbeton: 2000 kg/m 3 < Rohdichte 2600 kg/m 3. S Schwerbeton Beton mit einer Trockenrohdichte über 2600 kg/m 3. Abschirmbeton für Reaktorbau und Luftschutz mit geschlossenem Gefüge und einer Festbetonrohdichte über 2600 bis etwa 6500 kg/m 3 durch Gesteinskörnung mit höherer Dichte. Schwere Gesteinskörnung Gesteinskörnung mit einer Kornrohdichte über 3000 kg/m 3. Schwinden Volumenabnahme von Beton, verursacht durch Trocknung (Trockenschwinden) sowie, bei geringen w/z- Werten, durch Hydratation des Zements (auto genenes Schwinden). Selbstverdichtender Beton (SCC) Beton, der unter seinem eigenen Gewicht fliesst und sich selbst verdichtet (entlüftet) sowie die Schalung mit Bewehrung, Kanälen, Aussparungen etc. ausfüllt und dabei seine Homogenität beibehält. Sichtbeton Beton, dessen geschalte Ansichtsflächen gestalterische Funktionen übernehmen und ein durch die Schalhaut bestimmtes Aussehen erreichen. Spannbeton Beton, dessen Bewehrung teilweise aus vorgespann tem Spannstahl besteht. Der Spannstahl kann im Spannbettverfahren oder in der Form von Spanngliedern (Nachspannverfahren) mit und ohne Verbund eingebaut werden. Spritzbeton Im Trocken- oder Nasspritzverfahren hergestellter und durch Spritzauftrag aufgebrachter und verdichteter Beton. Stahlbeton Beton, dessen Bewehrung aus Betonstahl besteht. Stoffraum Volumen der Bestandteile Zement, Gesteinskörnung, Wasser, Zusatzstoffe sowie ggf. Zusatzmittel und Luft im Beton. T Transportbeton Beton, der in einem Transportbetonwerk hergestellt und in geeigneten Fahrzeugen zur Baustelle befördert und dort einbaufertig übergeben wird. Trockenschwinden Volumenabnahme des Betons durch Trocknen (Wasserverlust). 280 Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 281

142 Anhang Glossar Normenverzeichnis U Überdeckungsbeton Betonschicht zwischen Bewehrung und Betonoberfläche. W Wasserzementwert Masseverhältnis des wirksamen Wassergehalts zum Zementgehalt im Frischbeton, als w/z-wert abgekürzt. Wirksamer Wassergehalt Die Differenz zwischen der Gesamtwassermenge im Frischbeton und der Wassermenge, die bis zum Erstarren des Betons von der Gesteinskörnung aufgenommen wird. Z Zement Fein gemahlener, anorganischer Stoff, der mit Wasser gemischt Zementleim ergibt, welcher durch Hydratation erstarrt und erhärtet und der nach dem Erhärten eine Festigkeit und Raumbeständigkeit, auch unter Wasser, behält. Zementleimvolumen Volumen an Zement, Wasser, Zusatzstoffen und eingeschlossener Luft. Zementstein Erhärteter Zementleim. Zertifizierungsstelle Vom Bund bezeichnete, akkreditierte Konformitätsbewertungsstelle, welche die Übereinstimmung eines Bauproduktes (z. B. Beton, Zement) mit den Anforderungen der entsprechenden technischen Normen überprüft, bewertet und ein entsprechendes Zertifikat ausstellt. Zugabewasser Das Zugabewasser, früher auch Anmachwasser genannt, ist die Wassermenge, die dem Gemisch aus Zement, Zusatzstoff und Gesteinskörnung beim Mischvorgang des Betons zugegeben wird. Zusatzmittel Bauchemische Mittel, die während des Mischvorgangs des Betons in kleinen Mengen, bezogen auf den Zementgehalt, zugegeben werden, um die Eigenschaften des Frischbetons oder Festbetons zu verändern. Zusatzstoffe Fein verteilte organische oder anorganische Stoffe, die im Beton verwendet werden, um bestimmte Eigenschaften zu verbessern oder um besondere Eigenschaften zu erreichen. Normativ werden zwei Arten von anorganischen Zusatzstoffen behandelt: nahezu inerte nicht chemisch reaktive Zusatzstoffe (Typ I) und chemisch reaktive Zusatzstoffe (Typ II) Cemsuisse-Merkblatt Nr. 1: Betonerosion in Biologiebecken von Abwasserreinigungsanlagen. Bern Cemsuisse-Merkblatt Nr. 2: Merkblatt für Sichtbetonbauten. Bern DIN 18218: Frischbetondruck auf lotrechte Schalungen. Berlin: DIN, DIN 51043: Trass; Anforderungen, Prüfung. Berlin: DIN, EN CH NA: 2014 Eurocode 2: Design of concrete structures, Part 1-1: General rules an rules for buildings. Zürich: SIA, ISO 14001: Umweltmanagementsysteme Anforderungen mit Anleitung zur Anwendung ISO 14040: Umweltmanagement Ökobilanz Grundsätze und Rahmenbedingungen ISO 4316: Grenzflächenaktive Stoffe; Bestimmung des ph-wertes wässriger Lösungen; Potentiometermethode ISO : Wasserbeschaffenheit; Bestimmung von Ammonium; Teil 1: Manuelles spektrometrisches Verfahren ISO 7980: Wasserbeschaffenheit Bestimmung von Calcium und Magnesium Verfahren mittels Atomabsorptionsspektrometrie ISO 9001: Qualitätsmanagementsysteme Anforderungen Merkblatt SIA 2029: Nichtrostender Betonstahl. Zürich Merkblatt SIA 2030: Recyclingbeton. Zürich Merkblatt SIA 2042: Vorbeugung von Schäden durch die Alkali-Aggregat-Reaktion (AAR) bei Betonbauten. Zürich SIA 118/262: Allgemeine Bedingungen für Betonbau. Zürich SIA 162-6: Stahlfaserbeton. Zürich SIA 198: Untertagbau Ausführung. Zürich SIA 262: Betonbau. Zürich SIA 262/1: Betonbau Ergänzende Festlegungen. Zürich SIA 267: Geotechnik. Zürich SIA 269/2: Erhaltung von Tragwerken Betonbau. Zürich SIA 272: Abdichtungen und Entwässerungen von Bauten unter Terrain und im Untertagbau. Zürich SIA 381-1: Baustoff-Kennwerte. Zürich SIA 414 (1980): Masstoleranzen im Bauwesen; Begriffe, Grundsätze und Anwendungsregeln. Zürich SN b: Betondecken Konzeption, Ausführung, Anforderungen an die eingebauten Beläge. Zürich SN : Betondecken Prüfmethoden zur Bestimmung des Frost- und Frosttaumittelwiderstands. Zürich SN a: Eigenschaften der Fahrbahnoberfläche Grundnorm. Zürich SN a: Eigenschaften der Fahrbahnoberflächen Textur. Zürich SN : Oberflächeneigenschaften Griffigkeitsmessungen. Zürich SN A: Oberflächeneigenschaften von Strassen und Flugplätzen Prüfverfahren Teil 7: Messung von Einzelunebenheiten von Verkehrsflächen: Messung mit der Richtlatte. Zürich Merkblatt SIA 2052: Ultra-Hochleistungs-Faserbeton (UHFB): Baustoffe, Bemessung und Ausführung. In Vernehmlassung SN A: Messung des Einflusses von Strassenoberflächen auf Verkehrsgeräusche Teil 1: Statistisches Vorbeifahrtverfahren. Zürich pr EN 16502: Prüfverfahren zur Bestimmung des Säuregrades eines Bodens nach Baumann-Prüfung SN b-NA EN12620:2002 / A1:2008: Gesteinskörnungen für Beton. Zürich Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 283

143 Anhang Normenverzeichnis SN : Gesteinskörnungen: Qualitative und quantitative Mineralogie und Petrographie. Zürich SN :2007: Füller: Qualitative und quantitative Mineralogie und Petrographie. Zürich SN NA: Prüfverfahren für geometrische Eigenschaften von Gesteinskörnungen Teil 11: Einteilung der Bestandteile in grober recyclierter Gesteinskörnung. Zürich SN : Prüfverfahren für mechanische und physikalische Eigenschaften von Gesteinskörnungen Teil 6: Bestimmung der Rohdichte und der Wasseraufnahme. Zürich SN b: Prüfverfahren für mechanische und physikalische Eigenschaften von Gesteinskörnungen Teil 8: Bestimmung des Polierwertes. Zürich SN EN 1008: Zugabewasser für Beton Festlegungen für die Probenahme, Prüfung und Beurteilung der Eignung von Wasser, einschliesslich bei der Betonherstellung an fallendem Wasser, als Zugabewasser für Beton. Zürich SN EN : Prüfung von Frischbeton Teil 2: Setzmass. Zürich SN EN : Prüfung von Frischbeton Teil 4: Verdichtungsmass. Zürich SN EN : Prüfung von Frischbeton Teil 5: Ausbreitmass. Zürich SN EN : Prüfung von Frischbeton Teil 6: Frischbetonrohdichte. Zürich SN EN : Prüfung von Frischbeton Teil 7: Luftgehalte Druckverfahren. Zürich SN EN : Prüfung von Frischbeton Teil 8: Selbstverdichtender Beton Setzfliessmass-Prüfung. Zürich SN EN : Prüfung von Frischbeton Teil 10: Selbstverdichtender Beton L-Kasten-Versuch. Zürich SN EN : Prüfung von Festbeton Teil 1: Form, Masse und andere Anforderungen für Probekörper und Formen. Zürich SN EN : Prüfung von Festbeton Teil 2: Herstellung und Lagerung von Probekörpern für Festigkeitsprüfung. Zürich SN EN : Prüfung von Festbeton Teil 3: Druckfestigkeit von Probekörpern. Zürich SN EN : Prüfung von Festbeton Teil 5: Biegezugfestigkeit von Probekörpern. Zürich SN EN : Prüfung von Festbeton Teil 6: Spaltzugfestigkeit von Probekörpern. Zürich SN EN : Prüfung von Festbeton Teil 7: Dichte von Festbeton. Zürich SN EN : Prüfung von Festbeton Teil 8: Wassereindringtiefe unter Druck. Zürich SN EN : Prüfung von Festbeton Teil 13: Bestimmung des Elastizitätsmoduls unter Druckbelastung (Sekantenmodul). Zürich SN EN : Prüfung von Beton in Bauwerken Teil 1: Bohrkernproben Herstellung, Untersuchung und Prüfung der Druckfestigkeit. Zürich SN EN A1: Gesteinskörnungen für Beton. Zürich SN EN 12878: Pigmente zum Einfärben von zement- und/ oder kalkgebundenen Baustoffen Anforderungen und Prüfverfahren. Zürich SN EN A1: Silikastaub für Beton Teil 1: Definitionen, Anforderungen und Konformitätskriterien. Zürich SN EN A1: Silikastaub für Beton Teil 2: Konformitätsbewertung. Zürich SN EN 13577: Chemischer Angriff auf Beton-Bestimmung des Gehaltes an angreifenden Kohlendioxid in Wasser. Zürich SN EN 13670: Ausführung von Tragwerken aus Beton. Zürich SN EN 14216: Zement Zusammensetzung, Anforderungen und Konformitätskriterien von Zement mit sehr niedriger Hydratationswärme. Zürich SN EN : Spritzbeton Teil 1: Begriffe, Festlegungen und Konformität. Zürich SN EN : Spritzbeton Teil 2: Ausführung. Zürich SN EN : Prüfung von Spritzbeton Teil 2: Druckfestigkeit von jungem Spritzbeton. Zürich SN EN : Prüfung von Spritzbeton Teil 3: Biegefestigkeiten (Erstriss-, Biegezug- und Restfestigkeit) von faserverstärkten balkenförmigen Betonprüfkörpern. Zürich SN EN : Prüfung von Spritzbeton Teil 5: Bestimmung der Energieabsorption bei faserverstärkten plattenförmigen Prüfkörpern. Zürich SN EN A1: Prüfverfahren für Beton mit metallischen Fasern Bestimmung der Biegezugfestigkeit (Proportionalitätsgrenze, residuelle Biegezugfestigkeit). Zürich SN EN A1: Prüfverfahren für Beton mit metallischen Fasern Bestimmung des Fasergehalts in Frisch- und Festbeton. Zürich SN EN : Prüfverfahren für Fasern in Beton Teil 1: Referenzbetone. Zürich SN EN : Prüfverfahren für Fasern in Beton Teil 2: Einfluss auf den Beton. Zürich SN EN : Fasern für Beton Teil 1: Stahlfasern Begriffe, Festlegungen und Konformität. Zürich SN EN : Fasern für Beton Teil 2: Polymerfasern Begriffe, Festlegungen und Konformität. Zürich SN EN : Produkte und Systeme für den Schutz und die Instandsetzung von Betontragwerken Definitionen, Anforderungen, Qualitätsüberwachung und Beurteilung der Konformität Teil 3: Statisch und nicht statisch relevante Instandsetzung. Zürich SN EN : Hüttensandmehl zur Verwendung in Beton, Mörtel und Einpressmörtel Teil 1: Definitionen, Anforderungen und Konformitätskriterien. Zürich SN EN : Hüttensandmehl zur Verwendung in Beton, Mörtel und Einpressmörtel Teil 2: Konformitätsbewertung. Zürich SN EN 1536: Ausführung von Arbeiten im Spezialtiefbau Bohrpfähle. Zürich SN EN 1538: Ausführung von Arbeiten im Spezialtiefbau Schlitzwände. Zürich SN EN 196-1: Prüfverfahren für Zement Teil 1: Bestimmung der Festigkeit. Zürich SN EN 196-2: Prüfverfahren für Zement Teil 2: Chemische Analyse von Zement. Zürich SN EN 196-8: Prüfverfahren für Zement Teil 8: Hydratationswärme Lösungsverfahren. Zürich SN EN 196-9: Prüfverfahren für Zement Teil 9: Hydratationswärme Teiladiabatisches Verfahren. Zürich SN EN 197-1: Zement Teil 1: Zusammensetzung, Anforderungen und Konformitätskriterien von Normalzement. Zürich SN EN 197-2: Zement Teil 2: Konformitätsbewertung. Zürich SN EN 206-1: Beton Teil 1: Festlegung, Eigenschaften, Herstellung und Konformität. Zürich SN EN 206-9: Beton Teil 9: Ergänzende Regeln für selbstverdichtenden Beton (SVB). Zürich SN EN 450-1: Flugasche für Beton Teil 1: Definition, Anforderungen und Konformitätskriterien. Zürich SN EN 450-2: Flugasche für Beton Teil 2: Konformitätsbewertung. Zürich SN EN : Zusatzmittel für Beton, Mörtel und Einpressmörtel Prüfverfahren Teil 11: Bestimmung von Luftprenkennwerten in Festbeton. Zürich SN EN AC: Prüfverfahren für geometrische Eigenschaften von Gesteinskörnungen Teil 11: Einteilung der Bestandteile in grober recyclierter Gesteinskörnung. Zürich SN EN 933-3: Prüfverfahren für geometrische Eigenschaften von Gesteinskörnungen Teil 3: Bestimmung der Kornform Plattigkeitskennzahl. Zürich SN EN A1: Zusatzmittel für Beton, Mörtel und Einpressmörtel Teil 2: Betonzusatzmittel Definitionen, Anforderungen, Konformität, Kennzeichnung und Beschriftung. Zürich Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 285

144 Anhang Literaturhinweise Literaturhinweise Bildnachweise Beton-Information (diverse Publikationen). Schriftenreihe der BetonMarketing Nordost+Süd+West, Hannover, Ostfildern, Beckum. Betonsuisse: Betonerosion in Biologiebecken von Abwasserreinigungsanlagen. Erläuterungsbericht zum cemsuisse-merkblatt 01, Bern Cementbulletin (diverse Publikationen). Schriftenreihe der Technischen Forschung und Beratung für Zement und Beton (TFB), Wildegg. Loser, Leemann: Sulfatwiderstand von Beton: verbessertes Verfahren, basierend auf der Prüfung nach SIA 262/1, Anhang D. Berichte der Forschung im Strassenwesen, Nr. 1416, Bern Maso: Interfacial transition zone in concrete. Rilem report 11, Merz, Hunkeler, Griesser: Schäden durch Alkali- Aggregat-Reaktion an Bauteilen in der Schweiz. Berichte der Forschung im Strassenwesen, Nr. 599, Bern Weber, Schwara, Soller, Tegelaar: Guter Beton. 22. Auflage. Düsseldorf: Verlag Bau+Technik, Zement-Merkblätter Betontechnik (diverse Publikationen); Schriftenreihe des Vereins Deutscher Zementwerke e. V., Düsseldorf. Zement-Taschenbuch. 51. Ausgabe. Düsseldorf: Verlag Bau+Technik, S. 6: Baustelle Toni-Areal, Zürich, Schweiz. S. 8, Kapitelbild 1: Steinbruch, Eclépens, Schweiz. S. 46, Kapitelbild 2: Betonprüfung auf einer Baustelle. S. 76, Kapitelbild 3: Einbringen von Pumpbeton, Schachenbrücke, Holderbank, Schweiz. S. 128, Kapitelbild 4: Einbringen von Spritzbeton, Schweiz. Diverse Autoren: Alkali-Aggregat-Reaktion (AAR) in der Schweiz. Bern: cemsuisse Forschungsbericht, Diverse Autoren: Betonstrassen Das Handbuch, Leit faden für die Praxis. Wien: Zement+Beton Handelsund Werbeges. M.b.H., Merz, Leemann: Validierung der AAR-Prüfungen für Neubau und Instandsetzung. Berichte der Forschung im Strassenwesen, Nr. 648, Bern Neville: Properties of Concrete. Forth Edition. Harlow: Longman, S. 154, Kapitelbild 5: Einfamilienhaus aus Leichtbeton, Schaffhausen, Schweiz. (Quelle: Jochaim Marx, Marx-Architekten, Mammern). S. 176, Kapitelbild 6: Schachenbrücke gebaut mit dem Holcim Zement Robusto, Holderbank, Schweiz. Diverse Autoren: Sika Spritzbeton Handbuch. Zürich Filipaj: Architektonisches Potenzial von Dämmbeton. 2. Auflage. Zürich: vdf Hochschulverlag, Grübl, Weigler und Karl: Beton Arten, Herstellung und Eigenschaften. Berlin: Verlag Ernst & Sohn, Holcim (Schweiz) AG: Ökobilanzen rezyklierter Gesteinskörnung für Beton. 2010, ISBN Hunkeler, Lammar: Anforderungen an den Karbonatisierungswiderstand von Betonen. Berichte der Forschung im Strassenwesen, Nr. 649, Bern Hunkeler, Merz, Ungricht: Vergleichende Untersuchungen zum Chloridwiderstand von Betonen. Berichte der Forschung im Strassenwesen, Nr. 568, Bern Reul: Handbuch der Bauchemie. Einführung in die Grundlagen Rohstoffe, Rezepturen. Verlag für chem. Industrie, H. Ziolkowsky KG, Augsburg Reinhard: Ingenieurbaustoffe. 2. Auflage. Berlin: Verlag Ernst & Sohn, Röhling: Zwangsspannungen infolge Hydratationswärme. 2. Auflage. Düsseldorf: Verlag Bau+Technik, Schmidt-Morsbach: Betonflächen Mängelfibel. Wiesbaden: Bau verlag GmbH, Stark, Wicht: Dauerhaftigkeit von Beton. Basel: Birkhäuser Verlag, Stark und Wicht: Zement und Kalk. Basel: Birkhäuser Verlag, S. 200, Kapitelbild 7: Weingut Schmidheiny, Heerbrugg, Schweiz. S. 238, Kapitelbild 8: Anschlussbewehrung bei einem Betonbauteil, Toni-Areal, Zürich, Schweiz. Weitere Bildnachweise: siehe Bildlegenden. Knöfel, Henning: Baustoffchemie. Eine Einführung für Bauingenieure und Architekten. 6. Auflage. Berlin Schweizerische Geotechnische Kommission: Die Mineralischen Rohstoffe der Schweiz. Zürich König, Tue, Zink: Hochleistungsbeton Bemessung, Herstellung und Anwendung. Berlin: Verlag Ernst & Sohn, Leemann, Hoffmann: Trockenschwinden von Beton. Bern: cemsuisse Forschungsbericht, Lura, Leemann: Frühschwinden von Beton. Bern: cem suisse Forschungsbericht, Locher: Zement, Grundlagen der Herstellung und Verwendung. Düsseldorf Taylor: Cement Chemistry. 2nd Edition, Thaumasite Expert Group: The Thaumasite form of Sulfate attack: Risks, diagnosis, remedial works and guidance on new construction. London: HMSO, TFB, Technik und Forschung im Betonbau: Betonbelag Hellgasse Beispiel für guten Beton Transportbeton nach DIN EN 206-1/DIN Fachbericht 100. BTB, Holcim Betonpraxis Holcim Betonpraxis 287

145

146 Guide pratique du béton Concevoir et mettre en œuvre des bétons durables Edition Suisse Editeur: Holcim (Suisse) SA 6 ème édition 2015

147 6 ème édition (français, édition Suisse), janvier 2015 Pour les questions et propositions: Editeur: Holcim (Suisse) SA Hagenholzstrasse Zurich Suisse Prix de vente: CHF 150. Auteurs: Technical Expert Center: Dr. Peter Lunk Cathleen Hoffmann Erich Ritschard Dr. Jean-Gabriel Hammerschlag Kerstin Wassmann Dr. Thomas Schmidt Nos remerciements pour leurs contributions précieuses s adressent à: Blaise Fleury, Dr. Christine Merz et Dr. Cornelius Oesterlee. Traduction française: Dr. Christine Merz, ungricht merz GmbH, Zurich Réalisation: Source, Zurich Papier: Multi Art Silk 150g/m 2 Impression: Multicolor Print AG, Baar Copyright by Holcim Central Europe

148 Guide pratique du béton Concevoir et mettre en œuvre des bétons durables Edition Suisse Editeur: Holcim (Suisse) SA 6 ème édition 2015

149 Table de matières Avant-propos 7 1. Les constituants du béton Ciments Introduction Fabrication Exigences normatives relatives à la production de ciment Exigences normatives Propriétés du ciment Ciment et environnement Champs d application des ciments Eau de gâchage Introduction Exigences normatives Propriétés de l eau de gâchage Granulats pour béton Introduction Production et assurance qualité Exigences normatives Propriétés des granulats pour béton Adjuvants Introduction Exigences normatives Caractéristiques des adjuvants les plus importants Additions Introduction Exigences normatives Propriétés des additions inertes Propriétés des additions chimiquement réactives Propriétés des fibres Béton bases, production et exigences Bases de la technologie du béton Introduction Hydratation du ciment Structure de la pâte de ciment Formulation du béton Production de béton Introduction Assurance de la qualité Exigences normatives relatives au béton Introduction Béton à propriétés spécifiées Béton à composition prescrite Du béton frais au béton durci Introduction Malaxage Ouvrabilité et autres propriétés du béton frais Consistance Masse volumique du béton frais Teneur en air Teneur en eau Transport, réception, transbordement et mise en place Transport Réception du béton Transbordement Mise en place Compactage Objectif Modes de compactage Energie de compactage Cure Objectifs et mesures Types de cure Exigences relatives à la cure Effets de la cure sur les propriétés du béton durci Bétonnage sous des conditions météorologiques extrêmes Température du béton frais Bétonnage par temps chaud Bétonnage par temps froid Propriétés mécaniques du béton durci Résistance à la compression Résistance à la traction Module d élasticité Comportement à la déformation du béton indépendamment des charges Introduction Retrait et gonflement Déformations dues à la température Protection contre la corrosion de l armature Epaisseur et qualité du béton d enrobage Perte de la protection contre la corrosion due à la carbonatation Perte de la protection contre la corrosion due aux chlorures Assurance de la qualité sur le chantier Introduction Contrôle du béton Bétons avec mise en œuvre particulière Béton pompé Introduction Exigences normatives Technologie du béton Recommandations pour le pompage du béton Béton projeté Introduction Exigences normatives Technologie du béton Recommandations pour la planification du béton projeté Béton autoplaçant Introduction Exigences normatives Technologie du béton Recommandations pour la planification du béton autoplaçant Monobéton Introduction Exigences normatives Technologie du béton Recommandations pour la planification du monobéton Bétons à composition particulière Béton de recyclage Introduction Exigences normatives 156

150 5.1.3 Technologie du béton Recommandations pour la planification du béton de recyclage Béton léger Introduction Exigences normatives Technologie du béton Recommandations pour la planification du béton léger Béton renforcé de fibres Introduction Exigences normatives Technologie du béton Recommandations pour le dimensionnement du béton fibré Bétons à propriétés particulières Béton étanche à l eau Introduction Exigences normatives Technologie du béton Recommandations pour l exécution des constructions étanches à l eau Béton résistant au gel/dégel en l absence ou en présence de sels de déverglaçage Introduction Exigences normatives Technologie du béton Recommandations pour la réalisation d ouvrages soumis au gel/dégel en présence de sels de déverglaçage Béton résistant aux attaques chimiques Introduction Exigences normatives Technologie du béton Recommandations pour la réalisation de béton résistant aux attaques chimiques Béton résistant à la réaction alcalis-granulats Introduction Exigences normatives Technologie du béton Recommandations pour la réalisation des bétons résistants à la RAG Bétons pour des applications particulières Béton de parement Introduction Exigences normatives Technologie du béton Recommandations générales pour la planification du béton de parement Recommandations particuliéres pour la réalisation du béton de parement Béton à haute résistance Introduction Exigences normatives Technologie du béton Recommandations pour la planification du béton à haute résistance Béton fibré à ultra-hautes performances Introduction Exigences normatives Technologie du béton Recommandations pour la planification des bétons fibrés à ultra-hautes performances Béton pour parois moulées et pieux forés Introduction Exigences normatives Technologie du béton Recommandations pour la réalisation du béton pour pieux forés et parois moulées Béton pour revêtements routiers Introduction Exigences normatives Technologie du béton Recommandations pour la planification des couches de surface en béton Dégradations du béton 239 Remarques préliminaires Colorations Introduction Typologie apparente Causes et mesures préventives Ségrégation et perte de pâte ou de mortier fin Introduction Typologie apparente Causes et mesures préventives Efflorescences Introduction Typologie apparente Causes et mesures préventives Fissures Introduction Typologie apparente Causes et mesures préventives Dégradations dues au gel/dégel en l absence ou en présence de sels de déverglaçage Introduction Typologie apparente Causes et mesures préventives Dégradations dues aux attaques chimiques dissolvantes Introduction Typologie apparente Causes et mesures préventives Dégradations dues aux attaques par des sulfates Introduction Typologie apparente Causes et mesures préventives Dégradations dues à la réaction alcalis-granulats Introduction Typologie apparente Causes et mesures préventives Dégradations liées à la corrosion de l armature Introduction Typologie apparente Causes et mesures préventives 276 Glossaire 278 Liste des normes 282 Littérature 286 Illustrations 287

151

152 Avant-propos Le «Guide pratique» présente de manière simple et pratique les connaissances touchant au matériau de construction béton. En 1997, le premier «Guide pratique» paraissait, il a depuis conquis une position de pointe autant dans la pratique que pour la formation profession - nelle. Il est considéré comme un ouvrage de référence pour la technologie du béton. Dans le cadre de cette 6 ème édition, le «Guide pratique» a été entièrement remanié. Il traite dorénavant non seulement des nouveaux ciments, comme les ciments Portland composés et leur comportement dans le béton frais et durci, mais également des nouveaux bétons, comme p. ex. le béton fibré à ultra-hautes performances. Les développements actuels en Suisse au niveau des normes de la construction en béton sont expliqués avec toutes les informations complémentaires. Les exemples de calcul et les indications pratiques, figurant dans tous les chapitres, permettent de comprendre les fondements et rendent aussi possible une étude autonome. Les informations, puisées au sein des normes et directives en vigueur les plus pertinentes, fournissent des indications nécessaires à une lecture plus approfondie. Nous sommes convaincus qu avec cette nouvelle 6 ème édition, le «Guide pratique» offre une contribution de valeur pour une meilleure compréhension du matériau de construction béton et permet de promouvoir des constructions en béton de qualité et de durabilité élevées. C est avec plaisir que nous accueillons vos suggestions et propositions d amélioration. Votre partenaire Holcim Holcim guide pratique du béton 7

153

154 Chapitre 1 Les constituants du béton 1.1 Ciments Introduction Fabrication Exigences normatives relatives à la production de ciment Exigences normatives Propriétés du ciment Ciment et environnement Champs d application des ciments Eau de gâchage Introduction Exigences normatives Propriétés de l eau de gâchage Granulats pour béton Introduction Production et assurance qualité Exigences normatives Propriétés des granulats pour béton Adjuvants Introduction Exigences normatives Caractéristiques des adjuvants les plus importants Additions Introduction Exigences normatives Propriétés des additions inertes Propriétés des additions chimiquement réactives Propriétés des fibres 44

155 1. Les constituants du béton 1. Les constituants du béton 1.1 Ciments 1.1 Ciments Introduction Le ciment est un liant hydraulique. On entend par là une substance qui, mélangée à l eau dite de gâchage, est capable de durcir aussi bien à l air que sous l eau. La pâte de ciment durcie présente une résistance mécanique élevée et ne se dissout pas dans l eau. Depuis l introduction de la norme européenne sur le ciment en Suisse, l assortiment des ciments de l industrie cimentière suisse s est déplacé des ciments Portland purs CEM I vers les ciments Portland composés CEM II, c.-à-d. des ciments qui contiennent, mis à part le clinker, d autres constituants minéraux. Le recours plus fréquent à d autres constituants principaux comme le calcaire, le schiste calciné, la cendre volante ou le laitier pour la fabrication du ciment comporte divers avantages: la diminution de la part du clinker réduit d une part les émissions de gaz carbonique et permet d autre part de préserver les réserves de matières premières. Par ailleurs, le développement de ciments des types CEM II et CEM III permet aux utilisateurs d optimiser les propriétés du béton en termes d ouvrabilité, de chaleur d hydratation, de durabilité, etc. Historique Dans l Antiquité déjà, les Romains utilisaient un mortier hydraulique composé d une chaux siliceuse additionnée de pouzzolane ou de brique pilée. En y ajoutant des granulats appropriés, ils obtenaient l Opus Caementitium ou «ciment romain» considéré comme le précurseur de notre béton et qui est à l origine du mot «ciment». En 1824, l Anglais J. Aspdin élabora et breveta un produit proche du ciment obtenu par cuisson d un mélange finement broyé de calcaire et d argile. Ce liant permettait de confectionner un béton comparable à la pierre de Portland, une pierre calcaire très résistante extraite des carrières de la péninsule de Portland qui est couramment utilisée dans la construction en Angleterre. C est pour cette raison qu on l appelle «ciment Portland» Fabrication De manière schématique, la fabrication du ciment Portland consiste à préparer un mélange de calcaire, marnes ou argiles de granulométrie et de composition chimique définies, puis à le cuire jusqu au seuil de fusion à 1450 C et enfin, à broyer le produit de cette cuisson en une poudre de ciment fine, miscible et réactive. En principe, on distingue trois étapes dans la fabrication du ciment (fig ). I ère étape de production: extraction des matières premières Pour produire une tonne de clinker de ciment Portland, il faut compter une tonne et demie de matières premières calcaire et marne ou argile qui libéreront à la cuisson de l eau et du gaz carbonique. La marne ou l argile fournissent les composants à silicium (Si), aluminium (Al) et fer (Fe) (fig ). La roche est exploitée dans la carrière de manière à ce que les quatre composants les plus importants que sont le calcium, le silicium, l aluminium et le fer soient obtenus selon des proportions définies 9 : 3 : 1 : 0.5. Lorsque certains composants ne sont pas présents en quantité suffisante dans la carrière, des produits de correction doivent être ajoutés. Fig : Chargeuse en action dans une carrière. 10 Holcim guide pratique du béton

156 Traitement des schistes I Traitement thermique des schistes Près de lʼusine sœur de Dotternhausen, on extrait des schistes, qui sont ensuite calcinés et moulus sur place. La chaleur émise assure la production dʼélectricité. II Transport des schistes Les schistes calcinés remplaceront du clinker dans le ciment. Après son stockage intermédiaire, la plus grande masse est amenée en Suisse par le rail. I 1 II Extraction des matières premières 1 Carrière Le calcaire et la marne sont extraits par minage. 2 Concasseur La taille des blocs de pierre est réduite dans un concasseur à mâchoires ou à percussion. 3 Transport Les matières concassées sont acheminées vers lʼusine, le plus souvent par bande transporteuse. Homogénéisation et cuisson 4 Pré-homogénéisation On mélange le calcaire et la marne en procédant à leur pré-homogénéisation. 5 Broyeur à farine La matière pré-homogénéisée est moulue et séchée dans un broyeur. 6 Dépoussiérage Des filtres électrostatiques ou à manches retiennent les poussières émises par les broyeurs ou provenant des gaz de combustion. 7 Echangeur de chaleur La farine est préchauffée avant de passer dans le four rotatif. 8 Four rotatif A la température de 1450 C, la farine crue se transforme en clinker. 9 Refroidisseur à clinker Le clinker est mis en contact avec lʼair pour être refroidi rapidement. Mouture du ciment et expédition 10 Silo à clinker Le clinker refroidi fait lʼobjet dʼun stockage intermédiaire en silo. 11 Moulin à ciment avec séparateur à air Dans ce moulin, le clinker, co-broyé avec un peu de gypse, est réduit en une poudre fine. 12 Adjonction de schistes Des schistes calcinés sont ajoutés au clinker moulu. Résultat: un ciment ménageant lʼenvironnement. 13 Logistique Le ciment est livré soit en vrac dans des camions citernes, soit en sacs sur palettes. Fig : Illustration graphique de la production de ciment. 2 ème étape de production: homogénéisation et cuisson Les différents composants du matériau brut (calcaire + marne/argiles + éventuels produits de correction) sont stockés, soit disposés par couches en un mélange homogène, soit séparément et mélangés immédiatement avant le moulin de farine crue (fig.1.1.3). Dans ce moulin le mélange des matériaux bruts est non seulement moulu en une fine farine crue, mais également séché en même temps. Pour le séchage les gaz chauds issus du four sont récupérés. La farine crue sèche est stockée sous brassage continu dans de grands silos d homogénéisation. Fig Moulin à meules pour la réduction en farine du mélange de matières premières pré-homogénéisées. Holcim guide pratique du béton 11

157 1. Les constituants du béton 1.1 Ciments Fig : Le four rotatif, cœur de la cimenterie. Le processus de cuisson à 1450 C est l opération principale de la fabrication du ciment. La farine crue est introduite dans le four rotatif (fig ) en passant par la tour échangeur (préchauffage). Elle est préchauffée dans les cyclones des échangeurs puis entre à une température d environ 1000 C dans le four rotatif. A partir d environ 550 C, les constituants silicatés commencent à se décomposer. Entre 600 et 900 C a lieu la décarbonatation de la farine crue par le dégagement du dioxyde de carbone des carbonates de calcium contenus dans les calcaires et les marnes. Ce processus s appelle aussi calcination. Lorsque les températures atteignent 1300 C, les produits de décomposition et des phases de transition des carbonates et des argiles forment de nouveaux composés chimiques appelés minéraux du clinker ou phases du clinker. Ce processus culmine à une température maximale de 1450 C dans le four rotatif par la formation du principal minéral du clinker, le silicate tricalcique (fig ). Pour produire la chaleur nécessaire au processus de fabrication, on utilise des combustibles fossiles naturels (charbon, huile) et de plus en plus de combustibles de substitution issus des filières de la récupération tels que les pneus et huiles usagés, des matières plastiques ou des boues d épuration séchées. Le produit cuit quitte le four sous forme de clinker incandescent en passant par le refroidisseur. L air de refroidissement est utilisé comme air de combustion préchauffé, sa chaleur est également récupérée et introduite dans un éventuel réseau de chauffage à distance. Le refroidissement rapide du clinker provoque sa solidification sous forme de granules gris noirs partiellement fondus, d environ 1 à 5 cm de diamètre, durs et réactifs (fig ). Le clinker de ciment Portland refroidi à environ 100 C est transporté dans des halles ou silos, où il peut être stocké sur une longue période. Fig : La fabrication du clinker dans le four rotatif. Les minéraux du clinker influent de manière différente les propriétés du ciment par leur réactivité spécifique avec l eau. Le tableau donne un aperçu des minéraux du clinker de ciment Portland et leur influence sur les propriétés du ciment. 3 ème étape de production: mouture du ciment et expédition Afin d exploiter la réactivité présente dans le clinker, celui-ci est moulu dans une unité de broyage (fig ) avec une petite quantité de gypse (3 % à 7 %) qui fera office de régulateur de prise. Sans régulateur de prise, Fig : Formation des minéraux du clinker en fonction des composants initiaux et du profil des températures dans le four rotatif. Calcaire Séchage + Préchauffage CaCO 3 calcium Calcination Bélite + Produits intermédiaires CaO libre Fusion Clinker C 3 S (alite) C 2 S (bélite) Marne Menge quartz silice argiles aluminium + fer CA + C 12 A 7 C 2 AS C 3 A C 2 F + C 4 AF phase liquide C 3 A (aluminate) C 4 AF (ferrite) [ C] Chauffage Décomposition Nouvelle combinaison Refroidissement 12 Holcim guide pratique du béton

158 Minéraux du clinker Nom Désignation chimique abrégée* Proportion typique [% en masse] Silicate tricalcique alite C 3 S Silicate bicalcique bélite C 2 S Silicate bicalcique aluminate C 3 A 5 10 Influence sur les propriétés du ciment hydratation rapide, chaleur d hydratation élevée, résistance à court terme élevée, favorise le développement général de la résistance hydratation lente, faible chaleur d hydratation, haute résistance à long terme, faible résistance à court terme hydratation rapide, raidissement rapide, chaleur d hydratation élevée, contribue à la résistance à court terme, augmente le retrait, réagit avec les sulfates Tab : Minéraux du clinker dans un ciment Portland. Aluminoferrite de calcium ferrite C 4 AF 5 10 couleur sombre, hydratation lente, faible contribution à la résistance * C = CaO, S = SiO 2, A = Al 2 O 3, F = Fe 2 O 3 le clinker finement moulu et mélangé avec de l eau, durcirait en quelques minutes. La finesse de la mouture influence considérablement la montée en résistance du ciment. Suivant le type de ciment à produire, le clinker est complété par d autres constituants minéraux principaux (calcaire, schiste calciné, fumée de silice, laitier, cendre volante, voir chapitre 1.5) lors de la mouture conjointe ou par un mélange des constituants moulus séparément au préalable. On obtient ainsi des ciments Portland composés et des ciments de haut-fourneau. La mouture séparée permet une maîtrise ciblée de la finesse du ciment, indépendamment de la dureté du matériau des différents constituants. La production du ciment consomme beaucoup d énergie, sous forme d énergie thermique pour la cuisson du clinker ( kj/kg clinker) et d énergie électrique principalement pour la mouture de la farine crue et du ciment (80 à 100 kwh/t ciment). Le ciment prêt est transporté au client principalement par rail ou par camion. Seulement une petite partie est ensachée en sacs de 25 kg et palettisée Exigences normatives relatives à la production de ciment Contrôle de la qualité du ciment et de la conformité à la norme SN EN Un triple système de gestion de qualité garantit la qualité des ciments suisses et leur conformité aux normes. système de gestion de la qualité, efficace et certifié autocontrôle par le producteur (contrôle interne de production) surveillance externe. Système de gestion de la qualité Toutes les cimenteries de Suisse disposent d un système de gestion de la qualité certifié selon la norme ISO 9001, de façon à garantir la documentation, la traçabilité et la transparence de tous les processus de travail. Les usines Holcim sont de plus certifiées selon les systèmes de gestion de l environnement (ISO 14001), de la santé et de la sécurité au travail. Autocontrôle par le producteur Des échantillons sont prélevés et analysés tout au long de la chaîne de fabrication du ciment, de l extraction de la matière première à l expédition du produit fini. Une surveillance sans faille de la production garantit une qualité élevée et constante du ciment (fig ). Le traitement statistique des résultats des prélèvements de ciment à l expédition sert à s assurer que le produit est en permanence conforme aux exigences de la norme SN EN La norme SN EN 196 décrit les méthodes d essai des ciments et la norme SN EN l évaluation de la conformité (système d évaluation de conformité 1+). Fig : Vue de l intérieur d un moulin à boulets où s opère le broyage du clinker avec le gypse et les autres constituants principaux. Holcim guide pratique du béton 13

159 1. Les constituants du béton 1.1 Ciments Fig : Robot de laboratoire pour l autocontrôle automatique de la production du ciment. Types et composition des ciments La norme SN EN distingue vingt-sept ciments au sein de la famille des ciments courants, répartis en cinq types principaux désignés CEM I à CEM V selon le tableau Exigences mécaniques et physiques Les ciments sont produits selon les classes de résistance courantes 32,5, 42,5 et 52,5. La classe de résistance 22,5 s applique uniquement aux ciments spéciaux selon la norme SN EN Chaque classe de résistance courante est subdivisée en trois classes de résistance à court terme, la classe L étant réservée aux ciments CEM III selon la norme SN EN 197-4: L faible résistance à court terme (indiquée par L = Low), (uniquement pour le ciment de haut fourneau CEM III) Surveillance externe Les contrôles par le producteur sont complétés par un contrôle externe régi par la norme SN EN et exécuté par un organe de contrôle externe. Pour cela ne sont admis que les laboratoires accrédités pour les essais de ciment. Ciment certifié Les ciments qui satisfont aux critères de conformité selon la norme SN EN se voient délivrer un certificat de conformité par un organisme de certification notifié par l état, sur la base des contrôles annuels par un organisme d inspection accrédité du système de gestion de la qualité et des résultats de la surveillance externe et de l autocontrôle. Les ciments ainsi certifiés ont le droit de porter la marque de conformité CE. Les déclarations de performance du producteur confirment le respect des exigences de la norme SN EN N résistance à court terme normale, ordinaire (indiquée par N = Normal) et R résistance à court terme élevée (indiquée par R = Rapid) Le tableau récapitule les exigences de la résistance à court terme et de la résistance courante ainsi que du temps de début de prise pour les différentes classes de résistance du ciment. La résistance courante des classes de résistance 32,5 et 42,5 est aussi limitée vers le haut. Classe de résistance Résistance à la compression [N/mm 2 ] Résistance à court terme Résistance courante 2 jours 7 jours 28 jours 32,5 L ,5 N 16.0 Début de prise [min] ,5 R Exigences normatives Les propriétés et exigences des ciments appelés ciments courants sont définies dans la norme SN EN Les proportions relatives des constituants de chaque type de ciment sont fixées. La norme contient des exigences auxquelles les constituants doivent satisfaire ainsi que des exigences concernant les propriétés mécaniques, physiques et chimiques des ciments. En outre la norme règle les critères de conformité et les exigences de durabilité. Le cahier technique SIA 2049 permet d élargir le champ d utilisation des constituants inorganiques en tant que constituants principaux dans le ciment. Le cahier technique règle la procédure d épreuve de l aptitude à l usage des nouveaux ciments selon les exigences de la loi sur les produits de construction. 42,5 L ,5 N ,5 R ,5 L ,5 N ,5 R Tab : Exigences relatives aux résistances du ciment et aux temps de début de prise selon la norme SN EN L influence de la résistance du ciment sur la résistance à la compression du béton n est pas linéaire, puisque celle-ci dépend essentiellement de la valeur eau/ciment (valeur E/C), des granulats, du compactage et de la cure du béton. 14 Holcim guide pratique du béton

160 Types principaux de ciment Désignation Notation CEM I Ciment Portland CEM I CEM II CEM III CEM IV CEM V Ciment Portland au laitier Ciment Portland à la fumée de silice Ciment Portland à la pouzzolane Ciment Portland aux cendres volantes Ciment Portland au schiste calciné Ciment Portland au calcaire Ciment Portland composé 3) Ciment de haut fourneau Sorte de ciment Holcim Normo Protego Albaro Clinker de ciment Portland Laitier de haut fourneau Fumée de silice Pouzzolane naturelle Constituants principaux 1) Pouzzolane naturelle calcinée Cendre volante silicieuse Cendre volante calcique Schiste calciné K S D 2) P Q V W T L LL CEM II/A-S CEM II/B-S CEM II/A-D Fortico CEM II/A-P CEM II/B-P CEM II/A-Q CEM II/B-Q CEM II/A-V CEM II/B-V CEM II/A-W CEM II/B-W CEM II/A-T CEM II/B-T CEM II/A-L CEM II/B-L CEM II/A-LL Fluvio CEM II/B-LL CEM II/A-M CEM II/B-M Optimo Robusto Bisolvo CEM III/A CEM III/B Modero CEM III/C Ciment CEM IV/A pouzzolanique 3) CEM IV/B Ciment CEM V/A composé 3) CEM V/B Calcaire 1) 4) Constituants secondaires 1) Les valeurs indiquées (en % massiques) du tableau se réfèrent à la somme des constituants principaux et secondaires, c.-à.-d. sans le sulfate de calcium ni les adjuvants au ciment. 2) La proportion de fumée de silice est limitée à 10 % en masse. 3) Dans le cas des ciments Portland composés CEM II/A-M et CEM II/B-M, des ciments pouzzolaniques CEM IV/A et CEM IV/B et des ciments composés CEM V/A et CEM V/B, les constituants principaux, autres que le clinker, doivent être déclarés dans la désignation du ciment. 4) Les matériaux incorporés en tant que constituants secondaires du ciment, ne peuvent être déjà inclus dans les constituants principaux. Tab : Composition des ciments selon la norme SN EN Holcim guide pratique du béton 15

161 1. Les constituants du béton 1.1 Ciments Exigences chimiques Les exigences chimiques sont indiquées dans le tableau La teneur en chlorures d un béton avec un ciment de haut fourneau importé, donc non produit en Suisse, doit être contrôlée afin que les exigences de la norme SN EN concernant la teneur en chlorures du béton soient respectées. Pour des applications en précontrainte, les ciments peuvent être produits selon une exigence plus basse. Dans ce cas, la valeur de 0,10 % doit être remplacée par cette valeur plus basse qui doit être mentionnée sur le bon de livraison. Propriété Type de ciment Classe de résistance Teneur en Sulfate (SO 3 ) CEM I-SR 0 CEM I-SR 3 CEM I-SR 5 CEM IV/A-SR CEM IV/B-SR CEM I-SR 0 32,5 N 32,5 R 42,5 N 42,5 R 52,5 N 52,5 R Exigences 3.0 % 3.5 % = 0 % Tab : Exigences chimiques du ciment selon la norme SN EN Propriété Perte au feu Résidu insoluble Sulfate (SO 3 ) Chlorure Pouzzolanicité Type de ciment CEM I CEM III CEM I CEM III CEM I CEM II CEM IV CEM V CEM III tous types CEM IV Classe de résistance toutes classes toutes classes 32,5 N 32,5 R 42,5 N 42,5 R 52,5 N 52,5 R toutes classes toutes classes toutes classes Exigences 5.0 % 5.0 % 3.5 % 4.0 % 0.10 % satisfait à l essai Ciments à résistance élevée aux sulfates Les ciments à résistance élevée aux sulfates sont désignés, conformément à la norme SN EN (voir chapitre 6.2), par le suffixe «SR» (sulfate resisting) placé après la classe de résistance. Trois principaux types de ciments sont distingués: C 3 A dans le clinker Pouzzolanicité CEM I-SR 3 CEM I-SR 5 CEM IV/A-SR CEM IV/B-SR CEM IV/A-SR CEM IV/B-SR toutes classes toutes classes 3 % 5 % 9 % le résultat d essai doit être positif à 8 jours * Il n y a pas d exigences chimiques pour les ciments CEM III. Tab : Exigences chimiques des ciments à résistance élevée aux sulfates selon la norme SN EN * En Suisse, sont admis selon la norme SN EN 206-1, parmi les ciments indiqués, les CEM I-SR 0 et CEM I SR 3 ainsi que les CEM III/B-SR pour la fabrication de béton. Pour qu un autre type de ciment soit reconnu en Suisse comme ciment à résistance élevée aux sulfates, il doit remplir les exigences de l annexe nationale NB de la SN EN Les ciments à haute résistance aux sulfates, autorisés en Suisse comme p. ex. le ciment Holcim Robusto 4R-S, sont désignés avec le suffixe «HS-CH» (résistance élevée aux sulfates Suisse). CEM I -SR CEM III/B SR CEM IV SR ciment Portland à résistance élevée aux sulfates ciment de haut fourneau à résistance élevée aux sulfates ciment pouzzolanique à résistance élevée aux sulfates 16 Holcim guide pratique du béton

162 Ciments à faible chaleur d hydratation Les ciments à faible chaleur d hydratation sont désignés par le suffixe «LH» (low heat). La chaleur d hydratation doit être inférieure à la valeur caractéristique de 270 J/g. Elle est mesurée à 7 jours selon SN EN ou à 41 h selon SN EN (fig ). Chaleur d hydratation [J/g] = limite pour LH Temps [h] CEM 52,5 CEM 42,5 CEM 32,5 Notations des ciments La désignation univoque d un ciment selon la norme SN EN exige les indications suivantes: le type de ciment courant, p. ex. CEM I ou CEM II les constituants principaux autres que le clinker de ciment Portland avec une indication de leurs pro portions, p. ex. A-LL ou B-M (T-LL) la classe de résistance courante et la résistance à court terme. Le tableau donne des exemples pour différents ciments. Fig : Chaleur d hydratation des ciments à différentes classes de résistance, mesurée selon la norme SN EN 196-9) (méthode Langavant semi-adiabatique). CEM I 52,5 R ciment selon SN EN type de ciment I (ciment Portland) classe de résistance 52,5 résistance à court terme élevée CEM II / A - LL 42,5 N ciment selon SN EN type de ciment II (ciment Portland composé) contient 6 20 % en masse dʼadditions lʼaddition est du calcaire de haute qualité classe de résistance 42,5 résistance à court terme élevée CEM II / B - M (T-LL) 42,5 N ciment selon SN EN type de ciment II (ciment Portland composé) contient % en masse dʼadditions contient plus quʼune sorte dʼadditions les additions sont du schiste calciné et du calcaire classe de résistance 42,5 résistance à court terme normale CEM II / B - M (V-LL) 32,5 R ciment selon SN EN type de ciment II (ciment Portland composé) contient % en masse dʼadditions contient plus quʼune sorte dʼadditions les additions sont de la cendre volante et du calcaire classe de résistance 32,5 résistance à court terme élevée CEM II / B - M (S-T) 42,5 R - HS-CH ciment selon SN EN type de ciment II (ciment Portland composé) contient % en masse dʼadditions contient plus quʼune sorte dʼadditions les additions sont du laitier et du schiste calciné classe de résistance 42,5 résistance à court terme élevée haute résistance aux sulfates Suisse CEM III / B 32,5 N - LH / SR ciment selon SN EN type de ciment III (ciment de haut fourneau) contient % en masse du laitier comme addition classe de résistance 32,5 résistance à court terme normale faible chaleur dʼhydratation haute résistance aux sulfates Tab : Exemples de désignation des ciments selon la norme SN EN Holcim guide pratique du béton 17

163 1. Les constituants du béton 1.1 Ciments Propriétés du ciment Masse volumique La masse volumique, aussi appelée masse volumique absolue, désigne la masse d un matériau par unité de volume sans ses pores. La masse volumique apparente d un matériau granulaire en vrac correspond au rapport de la masse du matériau sur le volume de l ensemble des grains, y compris le volume des vides. La masse volumique apparente ou en vrac peut être mesurée avec ou sans compactage. Les valeurs indicatives de la masse volumique absolue et en vrac des ciments courants sont indiquées dans le tableau Couleur La couleur des ciments n est pas normée et ne constitue pas un critère de qualité, du moins pour le ciment gris. Pour les ciments blancs le degré de pureté de la couleur blanche est une propriété caractéristique. La couleur dépend des matières premières utilisées, du type de ciment, de la finesse de mouture et du procédé de fabrication. Les variations de la teinte grise des ciments sont inévitables, mais négligeables pour les ciments de la même usine et classe de résistance. D autres facteurs influent sur la teinte d un béton nettement plus fortement comme la composition du béton et sa mise en place, sa consistance, le type de coffrage et le mode de compactage (voir chapitre 8.1). Température du ciment La production du ciment, notamment la mouture du ciment, est un processus consommant beaucoup d énergie. Il en résulte un réchauffement jusqu à 120 C du ciment finement moulu, qui sera à nouveau refroidi à environ 60 à 80 C. La température du ciment n a qu une influence négligeable sur la température du béton frais et donc sur le développement de la chaleur d hydratation et de la résistance mécanique du béton (voir chapitre 3.7.1). Une augmentation de la température du ciment de 10 C se répercute de 1 C sur la température du béton frais. Une limitation de la température du ciment peut être judicieuse pour des applications spéciales. Pour les bétons projetés, il est recommandé dans la norme SN EN que la température du ciment livré à partir de l usine ne dépasse pas + 80 C, et + 70 C lors de la mise en silos à la centrale de malaxage. Le cas échéant il faut prévoir des mesures pour refroidir le ciment avant l emploi. Miscibilité à la centrale à béton Les ciments ne doivent pas être mélangés. Chaque ciment est optimisé individuellement par rapport à sa prise et sa classe de résistance. Si le mélange de différents ciments s avérait techniquement et économiquement judicieux pour des applications particulières, il faudrait s assurer de l aptitude du mélange par des essais initiaux du béton. En outre, chaque ciment entrant dans le mélange doit être admis pour la classe d exposition prévue du béton. Tab : Valeurs indicatives des masses volumiques absolues et en vrac des ciments courants. Type de ciment Masse volumique [kg/dm 3 ] Ciment Portland 3.1 Masse volumique apparente du ciment en vrac [kg/dm 3 ] sans compactage compacté Ciment de haut fourneau, au laitier, au schiste calciné, au calcaire Ciment Portland à la pouzzolane, aux cendres volantes à à 1.9 Ciment Portland -SR 3.2 Fig : Stockage des sacs à l extérieur. Stockage et conservation du ciment Stocké longtemps ou sans protection, le ciment absorbe l humidité de l air, ce qui conduit à la formation de gruassurer la bâche de protection contre les coups de vent bâche ou feuille plastique carrelet 18 Holcim guide pratique du béton

164 meaux et à un risque d altération du potentiel de durcissement. Tant que les grumeaux s écrasent encore facilement entre les doigts, la perte de résistance est négligeable. Le ciment en sac a une durée de conservation limitée. Il est conseillé de le conserver au sec, dans un hangar. Les sacs stockés temporairement en plein air doivent être protégés par des bâches ou feuilles plastiques des intempéries et empilés sur des lambourdes ou des palettes afin de permettre à l air de circuler librement (fig ). Réduction de la teneur en chrome (VI) Tous les ciments commercialisés en Suisse doivent présenter une teneur en chrome (VI) réduite selon les exigences de l Ordonnance sur la réduction des risques liés aux produits chimiques (ORRChim), afin de limiter les risques de dermatoses, couramment appelées eczéma du maçon. Depuis 2007 la teneur maximale admise en Suisse de chrome soluble (CrVI) est de 2 ppm (2 mg par kg de ciment). Le respect de la valeur limite de 2 ppm est garanti par l ajout d un agent réducteur à l usine de ciment. De cette manière, le chrome issu des matières premières (marnes, argiles, calcaire) n est pas éliminé du ciment, mais transformé en une forme insoluble, non allergique. L effet de l agent de réduction du chrome a une durée limitée. En Suisse la durée d effet pour les ciments en vrac est fixée à 2 mois et à 6 mois pour les ciments en sac. Cette mesure de prévention ne dispense toutefois aucunement les utilisateurs de se protéger par des mesures appropriées comme l utilisation de gants et des crèmes de protection de la peau. Consigne de sécurité Le ciment est un liant hydraulique qui déclenche une réaction alcaline au contact de l eau ou de l humidité. Il faut donc éviter dans la mesure du possible tout contact avec la peau. En cas de projection dans les yeux, rincer abondamment avec de l eau et consulter un médecin si nécessaire. Des fiches de données de sécurité sont disponibles sur Ciment et environnement Emissions de CO 2 lors de la production du ciment La production de ciment exige beaucoup d énergie et libère de grandes quantités de dioxyde de carbone (CO 2 ). La réduction des émissions ayant une incidence sur le climat est un des plus grands défis des producteurs de ciment. La plus petite partie des émissions de CO 2, environ un tiers, provient des combustibles fossiles ou indirectement de la consommation d électricité, tandis que deux tiers des émissions de CO 2 sont libérés lors de la cuisson par les calcaires, marnes et argiles. Afin d augmenter l efficacité énergètique dans toutes les étapes de travail et de réduire les émissions de CO 2, des mesures sont prises par HOLCIM dans le domaine du développement durable. Parmi ces mesures, on peut citer les mesures principales suivantes: réduction de la teneur en clinker du ciment utilisation de combustibles alternatifs optimisation des installations, p. ex. utilisation de toute chaleur émise La réduction de la teneur en clinker du ciment est la mesure la plus efficace pour réduire les émissions de CO 2. Celles-ci diminuent pour chaque tonne de ciment par l abaissement des quantités nécessaires non seulement de combustibles, mais aussi de matières premières. Les constituants principaux admis dans la norme SN EN comme le calcaire, le schiste calciné, le laitier, la cendre volante s imposent comme substances de substitution au clinker. Il est possible de produire avec ces ajouts neutres ou plus favorables par rapport au CO 2 des ciments de haute qualité de type CEM II/A, CEM II/B et CEM III. Les émissions de CO 2 sont d autant plus basses que la proportion d addition est élevée dans le ciment. Informations de produit de nature écologique relatives aux ciments Les données d un produit concernant l incidence environnementale constituent la base de l évaluation écologique des ouvrages. Elles influencent de plus en plus les décisions de projet des investisseurs et des jurys de concours. Une description complète de l impact des produits sur l environnement est fournie par une déclaration environnementale de produit (Environmental Product Declaration EPD). Une EPD est basée sur un bilan écologique selon ISO 14040, qui comprend les flux des matériaux à partir de l extraction des matières premières jusqu à l évacuation des déchets. L impact environnemental est décrit selon des conventions internationales, le résultat se présentant sous forme d indicateurs, comme p. ex. l effet de serre. Une EPD contient les éléments suivants: l inventaire du cycle de vie (LCI = Life Cycle Inventory Analysis) l évaluation de l impact environnemental du cycle de vie (LCIA = Life Cycle Impact Assessment) si réalisée d autres indicateurs (p. ex. le type et la quantité des déchets produits) L association de l industrie suisse du ciment, cemsuisse, publie des EPD pour les types de ciment CEM I, CEM II/A, CEM II/B, CEM III et un ciment moyen. Les données des ciments reposent sur un clinker moyen national qui reflète la production du clinker en Suisse et se basent sur les parts annuelles de marché des différents types de ciments. Holcim guide pratique du béton 19

165 1. Les constituants du béton 1.1 Ciments Champs d application des ciments Holcim (Suisse) SA offre un large assortiment de ciments. Le tableau résume les propriétés les plus importantes et les champs d application recommandés pour les ciments Holcim. Ciments sur mesure Une collaboration étroite avec le client permet de trouver le ciment sur mesure optimal satisfaisant à la fois aux exigences techniques et économiques. De cette manière, il est possible de proposer des ciments adaptés à des réalisations spéciales (p. ex. béton à haute résistance) ou à des modes de production particulières (p. ex. préfabrication). Optimo 4 Robusto 4R-S Normo 4 Normo 5R Type de ciment Ciment Portland composé Ciment Portland composé Ciment Portland Ciment Portland Désignation selon la norme CEM II/B-M (T-LL) 42,5 N CEM II/B-M (S-T) 42,5 R CEM I 42,5 N CEM I 52,5 R Constituants principaux Clinker (K) Schiste calciné (T) Calcaire de haute qualité (LL) Clinker (K) Schiste calciné (T) Laitier de haut fourneau (S) Clinker (K) Clinker (K) Classes d exposition admises XC, XD, XF XC, XD, XF, XA XC, XD, XF XC, XD, XF Champs d application Recommandation Holcim (++ recommandé, + adapté, sous réserve) Béton pompé Béton autocompactant (SCC) + + Mise en place Propriétés particulières Domaines d application Béton projeté Temps chaud ou éléments massifs Temps froid Haute résistance à la compression Haute résistance au jeune âge Béton résistant à la RAG + ++ Béton résistant aux sulfates ++ Béton de parement Béton de recyclage/éco-béton ++ + Chapes Routes en béton Préfabrication + ++ Mortier Stabilisation et injections * Satisfait à l essai (concernant la composition). 20 Holcim guide pratique du béton

166 Bisolvo 3R Albaro 5 Fortico 5R Modero 3B Ciment Portland composé Ciment Portland blanc Ciment Portland à la fumée de silice Ciment de haut fourneau CEM II/B-M (V-LL) 32,5 R CEM I 52,5 N CEM II/A-D 52,5 R CEM III/B 32,5 N-LH/SR Clinker (K) Cendre volante siliceuse (V) Calcaire de haute qualité (LL) Clinker (K) Clinker (K) Fumée de silice (D) Clinker (K) Laitier de haut fourneau (S) Tab : Ciments Holcim avec une sélection de propriétés et leurs champs d application recommandés. XC, XD, XF XC, XD, XF XC, XD, XF, XA XC, XD, XF, XA (++)* Holcim guide pratique du béton 21

167 1. Les constituants du béton 1. Les constituants du béton 1.2 Eau de gâchage 1.2 Eau de gâchage Introduction L eau joue un double rôle dans la technologie du béton. D une part, elle est nécessaire au durcissement du ciment, puisque la réaction chimique du ciment (hydratation) est induite par l eau. D autre part, elle est indispensable pour assurer l ouvrabilité et une mise en place correcte du béton frais. L eau de gâchage est la quantité d eau additionnée au mélange de ciment, d addition et de granulat lors du malaxage du béton. Si des adjuvants ou des additions sont employés sous forme de solutions ou de suspensions, il faut tenir compte de leur apport d eau à partir d une quantité de 3 l/m 3. La teneur en eau totale se compose de l eau de gâchage, de l eau apportée par les adjuvants et les additions ainsi que de l eau adsorbée à la surface des granulats et l eau absorbée par les granulats. On entend par eau efficace la somme de l eau de gâchage, l eau apportée par les adjuvants et les additions ainsi que l eau adsorbée à la surface des granulats (tab ). La teneur en eau du béton frais, déterminée par séchage au four, correspond à la teneur en eau totale (voir chapitre 3.3.4). En Suisse, on emploie surtout l eau potable, aussi appelée eau fraiche, ainsi que de l eau récupérée comme eau de gâchage. L eau récupérée de la fabrication du béton, appelée eau recyclée, comprend l eau de lavage des restes de béton des malaxeurs, des tambours mélangeurs, des pompes à béton et l eau météorique. Elle est prélevée dans les bassins prévus à cet effet (bassins de décantation ou munis d équipement de brassage) Exigences normatives La norme SN EN 1008 règle les exigences à l égard de l eau de gâchage. L eau potable peut être utilisée sans contrôle comme eau de gâchage. Tous les autres types d eau comme les eaux récupérées dans les centrales à béton, l eau de la nappe phréatique, les eaux superficielles naturelles ainsi que les eaux à usage industriel doivent au contraire être soumises à des analyses en conformité avec la norme SN EN Pour être utilisées comme eau de gâchage, elles ne doivent pas contenir une quantité trop importante de substances nuisibles susceptibles d engendrer les phénomènes suivants: ralentissement ou suppression du processus de prise et de durcissement (p. ex. sucres et acides humiques) entraînement excessif d air impliquant une baisse de résistance du béton (p. ex. micro-organismes, huiles, graisses, suspensions, certains sels minéraux) corrosion des armatures. L eau destinée au gâchage doit être claire, incolore et inodore. Elle ne doit pas former de mousse persistante après agitation et la teneur en sels alcalins doit rester faible dans les bétons et les mortiers. Les impuretés de nature organique doivent être négligeables. De nombreuses substances agressives sont moins redoutables dans l eau de gâchage que dans l eau qui entrera plus tard en contact avec le béton durci. Par exemple une eau sulfatée ou riche en acide carbonique peut attaquer ou détruire le béton durci de l extérieur alors qu elle peut tout à fait convenir comme eau de gâchage (voir chapitre 6.3). Tab : Composition de la teneur en eau totale et de la teneur en eau efficace. Eau de gâchage [l/m 3 ] Eau contenue dans les adjuvants et additions [l/m 3 ] Origine de l eau dans le béton teneur en eau efficace teneur en eau totale Eau adsorbée à la surface [l/m 3 ] Granulats Eau absorbée [l/m 3 ] 8 12, pour granulats légers ou pour granulats recyclés 22 Holcim guide pratique du béton

168 9 1 Fig : Installation de récupération de l eau avec une vis de relevage Vis de relevage 2 Commande de la vis 3 Sortie des matières solides (sable/gravier) 4 Trop-plein des eaux chargées de fines 5 Trémie de réception 6 Bassin en béton 7 Agitateurs 8 Alimentation en eau recyclée de la centrale à béton 9 Alimentation en eau recyclée de la potence de lavage 10 Alimentation en eau recyclée de la trémie de réception 11 Amenée d eau du réseau 12 Flotteurs/contacteurs de commande de l eau du réseau Propriétés de l eau de gâchage Eau recyclée L eau recyclée contient des concentrations variables de particules très fines dont la taille est généralement inférieure à 0.25 mm provenant du lavage des restes de béton. L eau recyclée est utilisée de la manière suivante: La quantité supplémentaire de matériaux solides provenant de l eau recyclée doit être inférieure à 1 % de la masse totale du granulat. La quantité d eau recyclée doit être répartie le plus également possible sur la production d une journée. L eau recyclée ayant une masse volumique > 1.09 kg/l ne devrait pas entrer en grande quantité dans l eau de gâchage pour du béton de construction. L eau recyclée est déconseillée pour le béton à haute résistance ainsi que pour le béton à air entraîné. L aptitude de l eau de récupération pour un béton de parement doit être testée au préalable. Les matières solides dans une eau de lavage en masse volumique supérieure à 1.01 kg/l doivent être réparties de manière homogène. La quantité de matières solides présentes dans l eau de lavage peut être déterminée au moyen de l équation La masse volumique des fines y est fixée à 2.1 kg/l. Pour le calcul de la composition volumétrique du béton, il faut tenir compte des matières solides et de l eau recyclée (voir chapitre 2.1.5): W fl = Eq ρ ww 1 ρf ρ f W fl quantité de matières solides présente dans l eau [kg/l] ρ ww masse volumique de l eau de lavage [kg/l] ρ f masse volumique des fines [kg/l] Exemple 1: Calcul de la quantité des matières solides d une eau recyclée ayant une masse volumique de l eau de 1.07 kg/l. W fl = = kg/l Les matières solides abaissent l ouvrabilité du béton frais. Pour deux bétons identiques, mais l un gâché avec 100 % d eau recyclée à masse volumique égale à 1.07 kg/l et l autre gâché avec 100 % d eau potable, la différence de consistance peut correspondre jusqu à une classe de consistance immédiatement après le gâchage. Par contre la perte de consistance dans le temps n est que peu influencée. L hydratation du béton frais sera accélérée pendant les premières 14 heures et simultanément la résistance à la compression à 1 jour augmentée. Les effets sur la résistance à la compression à 28 jours sont faibles. Holcim guide pratique du béton 23

169 1. Les constituants du béton 1.3 Granulats pour béton 1.3 Granulats pour béton Introduction On désigne en général par granulats des graviers et des sables naturels, mais aussi des matériaux granulaires produits industriellement (p. ex. des granulats légers comme l argile expansée) ainsi que des matériaux recyclés, résultant de la démolition d ouvrages. Le granulat occupe environ les trois quarts du volume du béton et forme le squelette du béton. Les propriétés du béton frais et celles du béton durci, comme la résistance à la compression et la durabilité, dépendent des propriétés du granulat utilisé. Après un pré-criblage, le granulat roulé est stocké dans un silo de matériau brut. De là, il est dirigé vers la filière des granulats roulés, puis il est lavé, soit par un lavage préliminaire soit pendant un tamisage à l eau. Le granulat est transporté par vibrations sur plusieurs niveaux, d un tamis à l autre et est ainsi divisé successivement en différentes classes granulaires, stockées séparément dans des silos Production et assurance qualité Généralités La production et l assurance qualité sont illustrées à l exemple d un granulat naturel qui n a subi qu un traitement mécanique. Les granulats utilisés pour la production de béton doivent satisfaire aux exigences de la norme SN EN «Granulats pour béton». Les termes courants de la pratique n ont que peu ou pas été adoptés par la norme, mais sont encore en usage en Suisse, puisqu ils permettent de distinguer le granulat roulé du granulat concassé (tab.1.3.1). Production de sable et de gravier Les granulats des dépôts des rivières et des glaciers sont naturellement arrondis. L exploitation des gravières est réalisée en gradins successifs, au moyen de chargeuses sur roues ou par des jets d eau à haute pression, sur toute la hauteur du gisement (voir fig ). Les dépôts lacustres sont exploités quant à eux par des dragues aspirantes. Fig : Exploitation d une gravière au jet d eau à haute pression. Production de granulat concassé Le granulat concassé est produit dans des carrières, ou bien lors de travaux d excavation sur des chantiers, comme les tunnels par exemple ou bien encore dans des installations de concassage de gravières. L exploitation dans les carrières se fait en gradins, à l explosif, et l exploitation souterraine se fait soit par tunnelier, soit à l explosif. Dans les gravières, les grains de diamètre supérieur à 45 mm suivent après le pré-criblage la filière de concassage où ils sont réduits à la taille désirée. Tab : Termes usuels et désignation des granulats selon la norme. Terme usuel de la pratique Filler Sable, sable concassé Désignation selon la norme SN EN filler sable Le matériau brut concassé passe par différents types de concasseurs (à percussion, à marteaux ou giratoire) pour réduire la taille des grains. Ceux-ci sont criblés par un tamisage à sec. Les grains d une coupure adéquate tombent dans le silo correspondant, les grains trop grands sont dirigés à nouveau vers les concasseurs. Gravier/gravillon/ pierre concassée Mélange pour béton, recomposé gravillon grave 24 Holcim guide pratique du béton

170 A1 Concassage Dans cette filière, les cailloux > 45 mm sont concassés, puis classés par coupure. 1 2 A2 Classification Des bandes transporteuses font circuler les granulats entre les différents concasseurs et cribles. A1 3 A2 4 B2 5 B3 B Gravière Le tout-venant qui donnera du sable et du gravier est extrait de la butte au moyen d une pelle mécanique ou par jet d eau à haute pression. Charger et transporter Des chargeuses sur pneus déposent le toutvenant sur une bande transporteuse. Transport Le tout-venant est amené sur bande transporteuse jusqu au lieu de son traitement. Précriblage Le tout-venant fait l objet d un premier criblage, puis est dirigé soit sur la filière du concassage soit sur la filière des granulats roulés. B1 Traitement de l eau L eau servant au lavage des granulats est recyclée. B2 Lavage Les granulats roulés sont lavés. Les particules fines qui en sont ainsi détachées passent dans des bassins de décantation. B3 Stockage A chaque coupure (granulats roulés ou concassés) correspond un silo de stockage. 5 Logistique Les granulats ainsi traités sont finalement transportés jusque chez l utilisateur par rail, route ou voie navigable. Fig : Illustration graphique de la production de granulats. Désignation selon la norme SN EN Diamètre du grain selon la norme SN EN [mm] Classes granulaires habituelles [mm] Sable D 4 et d = 0 0/1; 0/2; 0/4 granularité étroite: D > 11.2 et D/d 2 ou D 11.2 et D/d 4 4/8; 8/11; 8/16; 16/22; 16/32 granularité étendue: D > 11.2 et D/d > 2 ou D 11.2 et D/d > 4 4/32 D 45 et d = 0 0/16; 0/32 Gravillon Graves Tab : Classes granulaires courantes. Production des classes granulaires Les granulats sont produits en classes granulaires normées en fonction des diamètres des grains. Les classes granulaires sont définies par l ouverture du tamis inférieur d et du tamis supérieur D. Le rapport D/d doit être supérieur à 1.4. Les classes granulaires courantes sont données dans le tableau Les granulats roulés ou concassés peuvent être vendus au client sous forme de classe granulaire singulière ou de grave, composée de plusieurs classes granulaires. Le transport se fait en vrac ou en big bag par train, camion ou bateau. Holcim guide pratique du béton 25

171 1. Les constituants du béton 1.3 Granulats pour béton Assurance qualité Les devoirs du producteur certifié selon les normes SN EN (SN ) et SN EN (SN ) englobent le maintien, le contrôle et le calibrage corrects de ses installations et équipements ainsi que le contrôle continu des granulats produits, afin d identifier à temps les granulats non conformes et d en empêcher la livraison. Des impuretés, mélanges ou démélanges sont à éviter par un stockage et une gestion adéquats. La déclaration de conformité du producteur se base sur une inspection initiale par un organe de certification, qui certifie la conformité des essais initiaux et du système de contrôle de production par le producteur Exigences normatives Les exigences suisses relatives aux granulats aptes à la production de béton sont définies dans la norme SN EN On distingue ainsi les exigences géométriques, physiques et chimiques des granulats pour béton. En Suisse, pour certaines propriétés, des exigences pétrographiques remplacent les exigences de durabilité de la norme produit européenne des granulats. Les exigences sont divisées en catégories, qui correspondent au niveau d une caractéristique d un granulat exprimé sous forme d un intervalle entre deux valeurs, ou exprimées en fonction d une valeur limite. Exigences géométriques Généralités Les exigences géométriques comprennent la granularité, la teneur en fines et la forme des grains (aplatissement). L analyse des propriétés géométriques se fait pour la granularité par des tamisages avec des tamis à ouvertures normalisées (fig ). On distingue une série de base et une série complémentaire (fig ). En Suisse la série de base et la série complémentaire 1 sont prescrites par la norme SN Pour la réalisation de l analyse en laboratoire on utilise des tamis supplémentaires offrant une division encore plus fine des sables. Fig : Tamis d analyse avec leurs refus correspondants. Granularité («courbe granulométrique») La granularité d un mélange se définit par les quantités relatives des différentes classes granulaires. En tamisant le mélange au moyen d une série de tamis normalisés, on obtient pour chaque classe un refus qui est représenté sous forme d une courbe granulométrique en pourcentage en masse. La différence entre des tamis voisins représente les proportions des classes granulaires. La cuvette à la base de la tour de tamisage permet de récupérer la part du granulat à diamètre inférieur à mm, c.-à-d. les fines. L abscisse logarithmique permet un élargissement de l échelle pour les valeurs les plus petites afin de faciliter la lecture du diagramme (fig ). Série de base et complémentaire des tamis pour la désignation des diamètes des grains Série de tamis supplémentaires pour l analyse granulométrique Fines Farines Sable Gravillons Fig : Série de base et complémentaire de tamis de délimitation des classes granulaires selon la norme SN et tamis supplémentaires d analyse. 26 Holcim guide pratique du béton

172 Grains trop grands et trop petits La production des classes granulaires est toujours accompagnée d une certaine quantité de grains trop grands ou trop petits, c.-à-d. supérieurs ou inférieurs aux tamis de délimitation. Les grains trop petits passent le tamis de dimension inférieure et les grains trop grands restent comme refus sur le tamis de dimension supérieure (fig ). Passants [% en masse] = 38% = 17% = 5% = 7% = 13% = 13% = 5% Ouverture du tamis [mm] Proportion des classes granulaires 8/16 4/8 2/4 1/2 0.5/1 0.25/ /0.25 Fig : Exemple d une courbe granulométrique pour une grave 0 16 mm (échelle logarithmique). Tamis 8 mm refus 0% passants 100% Tamis 8 mm refus p.ex. 9% passants 91% grain trop grand Fig : Classe granulaire 4/8 mm sans grain trop grand ou trop petit (à gauche) et avec des grains trop grands et trop petits (à droite). Tamis 4 mm refus 100% passants 0% classe granulaire 4/8 Tamis 4 mm refus p.ex. 84% passants 7% classe granulaire 4/8 grain trop petit Holcim guide pratique du béton 27

173 1. Les constituants du béton 1.3 Granulats pour béton Fig : Exigences pour des gravillons à granularité étroite 8 16 mm (en haut) et étendue 4 32 mm (en bas) avec les tolérances sur la granularité type déclarée par le producteur (échelle logarithmique). Gravillons Parmi les gravillons, on distingue les gravillons à granularité étendue et étroite. Pour les gravillons à granularité étroite, il n y a qu une seule exigence concernant les parts de refus et de passants autorisés. Pour les gravillons à granularité étendue, il convient de respecter non seulement les exigences concernant les parts de refus et de passants autorisés, mais aussi les limites générales et les tolérances (G TX ) des passants au tamis intermédiaire. La figure illustre les exigences pour une classe granulaire 8 16 mm à granularité étroite (à gauche) et une classe granulaire 4 32 mm à granularité étendue (à droite). La courbe granulométrique doit se situer dans le domaine indiqué en rose (limites générales). classe granulaire 8/16 mm à granularité étroite catégorie G C 85/ Passants [% en masse] Ouverture du tamis [mm] limites générales de granularité selon la norme SN EN exemple de granularité teneur en fines maximale f 1.5 classe granulaire 4/32 mm à granularité étendue catégorie G C 90/ Passants [% en masse] Ouverture du tamis [mm] 70 G T 17.5 tolérance ± limites générales de granularité selon la norme SN EN exemple de granularité teneur en fines maximale f Sables Il n existe pas d exigences absolues concernant la granularité (courbe granulométrique), à l exception du passant minimal au tamis supérieur D. Les fournisseurs doivent déclarer la granularité type du sable. Les limites générales à respecter se prêtent à la plupart des applications (fig ). Pour des applications spéciales des tolérances réduites sont définies dans l annexe C de la norme SN EN Sable 0/4 mm catégorie G F Passants [% en masse] ±3% ±20% ±20% 99 ±5% Ouverture du tamis [mm] limites générales de granularité selon la norme SN EN exemple de granularité teneur en fines f déclarée Graves Une grave est un mélange de sable et de gravillon avec d = 0 et D max jusqu à 45 mm. Le mélange doit respecter des limites générales (proportion de grains trop grands) et des limites de deux tamis intermédiaires (fig ) Fig : Tolérances applicables à la granularité type moyenne déclarée par le fournisseur pour des sables d emploi courant, à l exemple d un sable 0/4 mm (représentation logarithmique) Holcim guide pratique du béton

174 Grave 0/16 mm catégorie G A 85 Passants [% en masse] ±20% 70 ±20% Grave 0/32mm catégorie G A 85 Passants [% en masse] ±20% 70 ±20% Fig : Tolérances des graves, à l exemple d une grave 0 32 mm (à gauche) et 0 16 mm (à droite) (échelle logarithmique) ±5% Ouverture du tamis [mm] limites générales de granularité selon la norme SN EN exemple de granularité teneur en fines maximale f Ouverture du tamis [mm] limites générales de granularité selon la norme SN EN exemple de granularité teneur en fines maximale f 11 Teneur en fines Les fines (D mm) peuvent avoir une influence négative sur les propriétés du béton. De ce fait leur teneur admissible pour les graves est limitée à 11 % en masse (f 11 ) et pour les gravillons à 1.5 % en masse (f 1.5 ). Les fines sont éliminées par lavage à la gravière (fig ). En cas de teneurs plus élevées en fines, l aptitude du granulat peut être testée au moyen d essais préliminaires sur bétons. Forme des grains La forme des grains dépend de la composition pétrographique. Alors que les graves du Plateau suisse sont essentiellement sphériques cubiques, les graves alpines et préalpines présentent souvent des formes aplaties allongées (fig ). La forme des grains est définie par le coefficient d aplatissement des gravillons, mesuré selon la norme SN EN et déclaré comme Flakiness Index (FI), mais pour lequel il n existe pas d exigence. Fig : Tamisage et lavage de granulats à la gravière. Forme de grains sphériques-cubiques Forme de grains aplatis-allongés Fig : Formes de grains de granulats. Holcim guide pratique du béton 29

175 1. Les constituants du béton 1.3 Granulats pour béton Exigences physiques Les exigences physiques comprennent les propriétés telles que la masse volumique, le coefficient d absorption d eau et la résistance au polissage. Les propriétés des granulats comme p. ex. la résistance à la fragmentation, à l usure ou à l abrasion doivent être testées selon les nécessités de leur emploi. Masse volumique La masse volumique doit être déclarée pour toutes les classes granulaires. Les granulats sont classés en fonction de leur masse volumique en différentes catégories: Granulat naturel courant avec une masse volumique de l ordre de 2500 à 2700 kg/m 3. Granulat recyclé soit de béton, soit de gravats mixtes pour le béton de recyclage (voir chapitre 5.1). Pour le granulat de béton on admet une masse volumique entre 2100 et 2500 kg/m 3 et pour le granulat de gravats entre 1800 et 2300 kg/m 3. Granulat léger avec une masse volumique inférieure à 2000 kg/m 3 comme p. ex. l argile expansée, le verre expansé, le schiste expansé, la perlite, la pierre ponce, le polystyrène, etc. Ils sont employés pour les bétons légers et isolants thermiques (voir chapitre 5.2). Granulat lourd avec une masse volumique supérieure à 3000 kg/m 3, comme p. ex. la barytine, la magnétite, l hématite, la grenaille de fer, les copeaux de fer, etc. Ils sont utilisés entre autre pour le béton des constructions de protection radiologique. Absorption d eau L absorption d eau des granulats est variable et doit être déterminée séparément pour chaque granulat. L expérience avec les granulats suisses montre que les absorptions d eau habituelles se situent entre 0.5 et 1.5 % en masse (voir aussi chapitre 1.2.1). Résistance au polissage Pour le béton des couches de roulement, il convient de mesurer la résistance au polissage selon la norme SN EN Elle est déterminée sur un gravillon 8/11 mm et doit satisfaire au moins les exigences de la catégorie PSV 44. Tab : Exigences de la composition des granulats naturels et recyclés selon la norme SN EN Propriété Norme d essai Granulats: teneurs maximales admissibles, respectivement exigées au minimum en % en masse Durabilité: résistance au gel, stabilité dimensionnelle, éléments impropres, teneur en fines SN XF2, XF3, XF4: 5 % en masse d éléments impropres XF1: 10 % en masse d éléments impropres classe de résistance C8/10: 15 % en masse d éléments impropres Constituants des granulats recyclés (d 8 mm) SN EN SN EN granulats de béton*: Ra 1 % en masse Rb 5 % en masse Rc 25 % en masse Ru 75 % en masse (X + Rg) 0.3 % en masse FL 2 % en masse gravats mixtes*: Ra 1 % en masse Rb = 5 25 % en masse (Rc + Ru) 95 % en masse (X + Rg) 0.3 % en masse FL 2 % en masse * Rc: béton, produits en béton, granulats traités aux liants hydrauliques, mortier, éléments en béton Ru: granulats naturels non liés, pierre naturelle Rb: Briques, tuiles, béton cellulaire non flottant, briques siliceuses Ra: matériaux bitumineux Rg: verre FL: matériau flottant X: autres matériaux (métaux, bois, matière plastique et caoutchouc, gypse, granulats, non flottants, terre, etc.) Tab : Exigences chimiques des granulats selon la norme SN EN Propriétés Granulats naturels Teneur en soufre total S 1 Teneur en sulfates solubles dans l acide* AS 0.8 recyclés Teneur en sulfates solubles dans l eau néant SS 0.2 Constituants qui influent la prise et le durcissement néant A 10 Chlorures solubles dans l acide néant à déclarer Chlorures solubles dans l eau* à déclarer * Pour les granulats naturels, seulement en cas de soupçon de la présence d éléments nocifs détectés par l analyse pétrographique. 30 Holcim guide pratique du béton

176 Exigences pétrographiques L aptitude fondamentale, respectivement la durabilité comme p. ex. la résistance au gel, la stabilité dimensionnelle, etc. est évaluée par l analyse pétrographique. Des exigences minimales s appliquent à la composition pétrographique des granulats naturels et à la composition des granulats recyclés (tab ). Les exigences pétrographiques concernant l alcali-réactivité sont définies dans le cahier technique SIA Exigences chimiques Des exigences chimiques pour les granulats naturels et recyclés sont définies concernant la teneur en soufre totale, la teneur en sulfates solubles à l eau et à l acide, ainsi que des constituants nocifs qui influent la prise et le durcissement Propriétés des granulats pour béton formes aussi sphériques ou cubiques que possible avec une surface lisse (fig ). L expérience a montré que les granulats entièrement concassés sont aussi aptes à l emploi, bien qu ils altèrent l ouvrabilité et augmentent le besoin en pâte de ciment. Par contre les granulats concassés, allongés avec une surface rugueuse peuvent mieux s enchevêtrer et ainsi améliorer les résistances à la compression, à la traction et à l usure du béton. Densité de compactage La granularité doit correspondre à une haute densité de compactage du squelette granulaire, en permettant, grâce à une distribution granulométrique adéquate, aux plus petits grains de remplir les espaces vides entre les plus gros grains. Ainsi, on peut minimiser le volume de pâte de ciment nécessaire à l enrobage du granulat et au remplissage des espaces vides restants (fig ). Un granulat de bonne qualité influence de manière essentielle les caractéristiques du béton de par ses propriétés, telles que la forme, l état de surface, la masse volumique et la résistance à la compression des grains, ainsi que par sa granularité. Selon l usage prévu d autres propriétés comme la couleur, la provenance, le comportement spécifique vis à vis des radiations ionisantes, la dilatation thermique en cas d incendie ou de températures élevées de service, la résistance aux acides, etc. peuvent relever d une importance particulière pour le respect de certaines exigences. Faible densité de compactage résultant d une seule classe granulaire Haute densité de compactage résultant d une granularité optimale et continue Forme des grains et état de surface La surface spécifique et la forme (sphérique-cubique, aplatie ou allongée) influent de manière significative la demande en eau et l ouvrabilité du béton. Il en est de même avec l état de surface du granulat grains naturellement arrondis ou concassés. Pour une bonne ouvrabilité, les granulats devraient présenter des Fig : Influence de la granularité sur la densité de compactage d un granulat en vrac. Granulats roulés Granulats concassés Forme sphérique aplatis/allongés cubiques aplatis/allongés Fig : Influence de la forme et de l état de surface des grains sur les propriétés du béton frais. Angularité arrondis anguleux Etat de surface lisses rugueux Surface spécifique, demande en eau Ouvrabilité, aptitude au compactage croissante décroissante Holcim guide pratique du béton 31

177 1. Les constituants du béton 1.3 Granulats pour béton Distribution granulométrique discontinue Les granularités, dont certaines classes granulaires font partiellement ou entièrement défaut, sont appelées «granularités discontinues». Elles présentent une courbe granulométrique avec un palier horizontal ou légèrement incliné (fig ). Le recours à une granularité discontinue peut être nécessaire dans certains cas afin d améliorer l ouvrabilité et la compactabilité. Module de finesse k = somme de tous les refus R d 100 k module de finesse [-] R d refus sur chacun des tamis (entre 0.25 mm et 63 mm) [% en masse] Eq Fig : Courbe granulométrique discontinue avec la classe granulaire manquante 4 8 mm (échelle logarithmique). Classe granulaire manquante 4/8mm d une grave 0/32mm Passants [% en masse] Exemple 2: Calcul du module de finesse k pour une grave courante 0 32 mm. Composition donnée: Ouverture du tamis Refus Ouverture du tamis [mm] 471 k = = Ouvrabilité et demande en eau Des graves pauvres en sable, se situant en dessous du fuseau granulométrique admis, sont généralement difficiles à mettre en œuvre et à compacter. Par contre les graves riches en sables, au-dessus du fuseau granulométrique éprouvé, montrent une demande élevée en pâte de ciment (fig ). Une méthode pratique d évaluer des courbes granulométriques fait recours au module de finesse k. Celui-ci diminue lorsque le diamètre maximal du granulat baisse et la proportion de grains fins augmente. La surface spécifique du mélange de grains et sa demande en eau seront donc d autant plus élevées que le module de finesse diminue lorsque la teneur en grains fins augmente. A l aide du module de finesse il est possible d estimer pour une consistance prévue le besoin en eau correspondant. La figure illustre la demande en eau des bétons avec différentes consistances en fonction du module de finesse k. La demande en eau a été déterminée de manière empirique sur des bétons avec des granulats dont la surface était sèche. Elle correspond donc à la teneur en eau efficace (voir chapitre 1.2). Le module de finesse k de 4.71 calculé selon l équation pour une granularité 0 32 mm correspond à une demande en eau de 170 l/m 3 pour un béton sans fluidifiant d une consistance d environ F3 (voir aussi tableau 2.3.6). Fig : Béton frais avec une teneur trop basse (gauche), une teneur optimale (centre) et une teneur trop élevée (droite) en sables. 32 Holcim guide pratique du béton

178 Teneur en eau [kg/(m 3 béton compacté)] F3 (plastique) F2 (ferme) F1 (raide) empêche la ségrégation lors de la mise en place et facilite le compactage du béton améliore la compacité microstructurale améliore l efficacité des adjuvants améliore la qualité de finition de surface lors du talochage et du lissage. Diamètre maximal du granulat Teneur en farine [kg/m 3 béton] Module de finesse k [-] Fig : Exigence en eau en fonction du module de finesse k du granulat pour bétons à différentes consistances (sans fluidifiant). Les granulats sont souvent stockés à ciel ouvert avant leur transport à la centrale à béton. Selon les périodes de pluie et de sécheresse, l humidité superficielle des grains peut varier fortement. L humidité superficielle exacte doit être déterminée à la centrale à béton et il faut en tenir compte lors du dosage de l eau de gâchage. Les teneurs en eau habituelles des granulats naturellement arrondis suisses sont indiquées au tableau Classe granulaire [mm] Teneur en eau du granulat [% en masse] Sable 0/ Gravier 4/ Gravier 8/ Gravier 16/ Tab : Ordres de grandeur de la teneur en eau des granulats naturellement arrondis. Farine Tous les composants du béton avec des dimensions mm sont comptés parmi les farines, c.-à-d. le granulat, le ciment et les additions. Les farines agissent comme un lubrifiant dans le béton. Une teneur suffisante en farine est importante pour obtenir une bonne ouvrabilité, en particulier avec les bétons pompés et les bétons auto-plaçants, mais aussi pour bénéficier de belles surfaces de béton de parement. Si nécessaire, les valeurs recommandées dans le tableau sont à ajuster pour de telles applications. Tab : Valeurs recommandées de teneur en farine en fonction de la dimension maximale du granulat. Sables La classe granulaire 0 4 mm contribue majoritairement à la surface spécifique du granulat et constitue donc une composante clef de la qualité d une grave. En règle générale, il est recomposé à partir de différents constituants (p. ex. sables roulés lavés/sables concassés et/ou sables concassés lavés). Actuellement, on ne produit pas de sable recyclé pour la confection du béton. Les mélanges riches en sables fins (avec plus de 30 % en masse < 2 mm) ont une grande surface spécifique et exigent une teneur accrue en pâte de ciment. Dimension maximale du granulat Le choix de la dimension maximale du granulat dépend le plus souvent des dimensions de l élément d ouvrage, de sa forme, de l espacement des barres d armature et du procédé de mise en place du béton. En règle générale, le diamètre du grain maximal ne devrait pas dépasser un quart de la dimension la plus petite de l élément d ouvrage, respectivement de l espacement et de l épaisseur de recouvrement des barres d armature. Pour les éléments d ouvrage massifs, des granulats à dimensions maximales allant jusqu à 125 mm sont utilisés. Par contre, pour des éléments élancés à haute densité d armature, avec des géométries compliquées ou des exigences de béton de parement, on utilise souvent des granulats plus fins à diamètre maximal de 16 mm. Habituellement, la dimension maximale de 32 mm s est imposée pour des raisons pratiques et économiques. Une teneur optimale en farine accroît la quantité de film lubrifiant sans augmentation notable de la quantité d eau de gâchage garantit une meilleure ouvrabilité du béton améliore la capacité de rétention d eau du mélange et prévient le ressuage du béton pendant et après la mise en place Holcim guide pratique du béton 33

179 1. Les constituants du béton 1. Les constituants du béton 1.4 Adjuvants 1.4 Adjuvants Introduction Les adjuvants sont ajoutés au béton en général sous forme liquide. Ils influent par leurs effets chimiques et/ou physiques sur les propriétés du béton. Selon le type d adjuvant utilisé, il est possible de modifier de manière ciblée tant les propriétés du béton frais, p. ex. le temps de prise et l ouvrabilité, que les caractéristiques du béton durci, telles que la résistance à la compression et la durabilité. L emploi d adjuvants est motivé par des considérations technologiques et économiques. L addition de petites quantités de fluidifiants permet de réduire une partie de l eau de gâchage. Il est ainsi possible de fabriquer un béton de bonne ouvrabilité, très dense, à faible porosité capillaire et à durabilité améliorée, en réduisant de cette manière le rapport E/C. Une multitude de substances organiques et inorganiques sont utilisées comme agents actifs des adjuvants. Pour produire un maximum d efficacité, ils doivent être ajustés au ciment. L efficacité des adjuvants pour béton est aussi influencée par la teneur en eau, le sable, l intensité et la durée de malaxage ainsi que la température Exigences normatives La norme SN EN définit les exigences, la conformité, le marquage et l étiquetage des adjuvants (tab ). Tab : Désignation, abréviations et description des adjuvants. Désignation Abréviation Effet Plastifiant BV réduit la demande en eau et/ou augmente l ouvrabilité Fluidifiant FM réduit fortement la demande en eau et/ou augmente l ouvrabilité Entraîneur d air LP création de fines bulles d air uniformément réparties pour augmenter la résistance au gel/dégel avec sels de déverglaçage Retardateur de prise VZ retarde le temps de début de prise (bétonnage par temps chaud) Accélérateur de prise SBE diminue le temps de début de prise après le malaxage Accélérateur de durcissement HBE augmente la vitesse de développement des résistances initiales du béton, avec ou sans modification du temps de prise Modificateur de viscosité VMA limitation de la ségrégation par l amélioration de la cohésion du béton Hydrofuge DM réduit l absorption capillaire du béton durci Stabilisateur ST réduit la ségrégation des particules solides et de l eau de gâchage, améliore la cohésion interne du béton frais Réducteur d air superficiel EL diminue la teneur en air à la surface du béton frais Antigel FS augmente la résistance au gel d un béton au jeune âge Hydrofuge en masse MH réduit l absorption capillaire du béton durci Réducteur de retrait SRA réduit le retrait de dessiccation du béton 34 Holcim guide pratique du béton

180 Dosage La quantité dosée, en pourcentage en masse du ciment, se situe normalement entre 0.2 et 2 % en masse. En cas de dosages supérieurs à 3 l/m 3, il faut tenir compte de la quantité d eau contenue dans l adjuvant dans le calcul du rapport E/C. Le dosage total en adjuvants ne doit pas dépasser le dosage maximal recommandé par le producteur d adjuvants, ni 5 % en masse du ciment dans le béton (exception: accélérateurs pour béton projeté jusqu à 12 % en masse). Les surdosages peuvent avoir des effets secondaires indésirables tels que retardement du début de prise, ségrégation (fluidifiants), perte de résistance à la compression (entraîneur d air). Les sous-dosages diminuent souvent de manière importante l effet recherché. Etalement [mm] avec FM sans FM Fig : Influence du fluidifiant sur l étalement et le rapport E/C éq. Les adjuvants sont, le plus souvent, à introduire dans le mélange après l eau de gâchage. Les dosages inférieurs à 0.2 % en masse sont à diluer dans une partie de l eau de gâchage, puisque le dosage correct et la répartition du produit sont difficiles avec d aussi faibles quantités. En cas d utilisation simultanée de plusieurs adjuvants leur compatibilité doit être prouvée. Il est recommandé en cas d utilisation d additions d indiquer les dosages en adjuvants uniquement par rapport à la teneur en ciment. Durée de stockage Durant le stockage, les adjuvants doivent être protégés des pollutions et d un fort ensoleillement direct. On peut les conserver jusqu à une année à une température de 20 C. Les adjuvants liquides doivent être protégés du gel, les adjuvants pulvérulents de l humidité Caractéristiques des adjuvants les plus importants Plastifiant (BV) et fluidifiant (FM) En Suisse les fluidifiants sont les adjuvants les plus utilisés. Par contre, les plastifiants ne sont plus guère employés. L effet fluidifiant est obtenu soit par des substances agissant sur les interfaces (sulfonate de lignine, sulfonate de naphthalène), soit par des substances dispersives (sulfonate de mélamine, polycarboxylate, éther polycarboxilique). Leur efficacité est illustrée par la figure Pour un rapport E/C constant, ces adjuvants améliorent l ouvrabilité du béton 1 ou réduisent à ouvrabilité maintenue constante la demande en eau, donc le rapport E/C 2, ce qui conduit à augmenter la résistance et réduit la porosité du béton. On peut aussi conjuguer les deux effets, soit obtenir une amélioration de l ouvrabilité tout en diminuant le rapport E/C Rapport E/C [-] Le tableau récapitule l influence des types les plus courants de plastifiants et fluidifiants en ce qui concerne leur pouvoir de réduction d eau dans le béton. La réduction d eau relative indiquée est basée sur un dosage de l adjuvant de 1 % en masse du ciment. La réduction d eau augmente selon l ordre suivant: sulfonate de lignine mélamine naphthalène polycarboxylate / éther polycarboxylique. L effet fluidifiant optimal est obtenu lorsque l incorporation du fluidifiant se fait entre le dosage principal et l apport final précis de l eau de gâchage. Agent actif du plastifiant, respectivement fluidifiant Réduction d eau relative [% en masse] Sulfonate de lignine 5 10 Sulfonate de mélamine Sulfonate de naphthalène Polycarboxylate, éther polycarboxilique Tab : Réduction d eau par les plastifiant et fluidifiant les plus courants. Holcim guide pratique du béton 35

181 1. Les constituants du béton 1.4 Adjuvants Fig : Représentation schématique d un pore d air dans la microstructure du béton. Entraîneur d air (LP) Les entraîneurs d air sont des substances (résines de racines et leurs modifications ainsi que des tensioactifs synthétiques) agissant sur les interfaces. Le rôle des entraîneurs d air est d incorporer des micropores d air d un diamètre compris entre 10 et 300 µm dans le béton. Il en résulte une augmentation substantielle de la résistance aux cycles de gel-dégel avec ou sans sel (voir chapitre 6.2), mais au prix d une réduction de la résistance à la compression en fonction du volume d air introduit dans le béton. Au moment où le béton gèle, les pores d air accueillent en partie l eau mise en mouvement dans les pores capillaires et offrent ainsi un espace d expansion pour l eau dont le volume augmente en gelant (voir chapitre 8.4). Ils réduisent donc le risque de fissuration du béton sous l effet de la pression due au gel (fig ). bordure du pore d air pore capilliare fermé pore capilliare ouvert bétonnage par temps chaud transport du béton sur de longues distances bétonnage de gros volumes et suppression des joints de travail réduction des efforts de nettoyage des pompes et malaxeurs Accélérateur (SBE, HBE) Parmi les accélérateurs, on distingue les accélérateurs de prise (SBE) et les accélérateurs de durcissement (HBE) (tab ). Ces adjuvants sont utilisés pour raccourcir le temps de prise et de durcissement. L hydratation étant plus rapide, le béton peut être décoffré, soulevé, mis en charge ou exposé au gel dans un délai plus court. L emploi des accélérateurs dépend beaucoup de leur effet chimique. Il existe divers groupes d agents actifs qui se distinguent par leur effet d élévation de la concentration ionique de la solution interstitielle (p. ex. Ca 2+, Al 3+, OH ) ou par la formation de phases hydratées supplémentaires précoces dans le béton. En utilisant des accélérateurs contenant des chlorures ou des cyanates, il faut respecter les limitations prescrites pour le béton armé et précontraint, à cause du risque de corrosion des armatures. On fait recours aux accélérateurs de prise (SBE) pour pore de gel particule de gel Pour obtenir une teneur en air habituelle dans un béton, soit 3 5 % vol. (D max = 32 mm) et 4 6 % vol. (D max = 16 mm) de très faibles dosages s avèrent généralement suffisants (0.1 à 0.5 % en masse). Néanmoins la quantité de pores d air se formant dans le béton ne dépend pas uniquement du type et du dosage de l entraîneur d air, mais du moment de son introduction. Contrairement à la recommandation générale pour le dosage des adjuvants, il faut ajouter les entraîneurs d air en même temps que l eau de gâchage, afin qu ils puissent déployer leurs effets. Les pores d air ont parfois un effet fluidifiant et améliorent l ouvrabilité du béton. Le volume de pores d air introduit dans le mélange par les entraîneurs d air doit être pris en compte dans le calcul volumique (voir chapitre 2.1.5). le béton projeté (faible rejet et bonne adhérence) les travaux de remise en état (travaux de réparation nécessitant un temps de prise raccourci) le bétonnage au contact d eaux courantes le colmatage d infiltrations et de venues d eau. Les accélérateurs de durcissement (HBE) sont employés pour le bétonnage par temps froid les délais de décoffrage très courts la préfabrication d éléments en béton la pose des ancrages. Lors de la fabrication d un béton à air entrainé, il est recommandé d augmenter le temps de malaxage. Retardateur de prise (VZ) On emploie comme retardateurs de prise, soit des agents actifs organiques (saccharose, acide-hydroxy-carboxylique, sulfonate de lignine), soit des substances inorganiques (phosphates). Les retardateurs de prise ont pour effet de retarder le début de la prise du ciment et de prolonger ainsi la durée de mise en place du béton. Leurs applications principales sont les suivantes: Fig : Dépôt de citernes d adjuvants réglementaire dans une centrale à béton. 36 Holcim guide pratique du béton

182 Réducteur de retrait (SRA) Les réducteurs de retrait (en anglais: shrinkage reducing agents, SRA) sont ajoutés au béton frais pour réduire le retrait du béton. Ils se composent d agents tensioactifs non-ioniques, c.-à-d. de substances agissant sur les surfaces. L effet de la plupart des réducteurs de retrait employés actuellement repose sur la réduction de la tension capillaire de l eau tant de l eau de gâchage que de la solution des pores. De ce fait, le béton s hydrate de manière plus régulière et surtout plus lente. En conséquence, la déformation due au retrait diminue et il en est de même de la fissuration du béton (voir chapitre 3.9). Le dosage des réducteurs de retrait se situe habituellement entre 1 3 % de la masse du ciment. Il est possible de réduire le retrait du béton après 28 jours de l ordre de 30 %. L expérience pratique montre que les réducteurs de retrait peuvent abaisser légèrement la résistance à la compression et rendre l entraînement des pores par les entraîneurs d air plus difficile. Une autre possibilité d éviter les fissures due au retrait de dessiccation est le béton à retrait compensé. L ajout d additions spéciales, p. ex. l oxyde de calcium ou la poudre d aluminium, provoque un gonflement du béton pendant les premiers 1 à 5 jours en présence d humidité suffisante. Le gonflement visé du béton correspond à peu près au retrait de dessiccation attendu. En conséquence, on observe peu ou pas de tension de retrait (voir chapitre 3.9.2). Il est recommandé de planifier et de tester l emploi d additions compensateur de retrait en collaboration avec des spécialistes. Evaluation des adjuvants les plus importants Les adjuvants peuvent influer de manière significative sur les propriétés du béton frais et durci. Ceci est souvent lié à des réactions chimiques et/ou physiques complexes. Pour cette raison, il est préférable de ne pas mélanger des adjuvants dont le fonctionnement diffère ni de combiner des adjuvants d un type similaire. Dans le cas d utilisation de plusieurs types d adjuvants dans une même formulation, il est fortement conseillé d utiliser les adjuvants d un seul et même producteur. Les essais initiaux sont indispensables pour déterminer le dosage correct des adjuvants les mieux adaptés au système du béton constitué de ciment, d additions, d eau et de granulats. Les effets qualitatifs des cinq groupes d adjuvants les plus importants sur certaines propriétés de béton frais et durci sont récapitulés au tableau Effet sur Plastifiant/ fluidifant Entraîneur d air Retardateur Accélérateur Réducteur de retrait Ouvrabilité Ségrégation/ressuage + + Accélération le début de prise ++ Retard du début de prise ++ Aptitude au pompage + Résistance au jeune âge + ++ Résistance finale + Perméabilité + + Résistance au gel Retrait Bétonnage par temps froid + ++ Bétonnage par temps chaud + ++ Tab : Effets des cinq groupes d adjuvants les plus importants sur certaines propriétés de béton frais et durci. ++ effet visé positif + effet positif possible o effet négligeable effet négatif possible Holcim guide pratique du béton 37

183 1. Les constituants du béton 1.5 Additions 1.5 Additions Introduction Les additions sont généralement des additions minérales sous forme de poudre fine ou de fibres qui peuvent améliorer certaines propriétés du béton (fig ). A quelques exceptions près, elles peuvent être employées tant dans le ciment que dans le béton. Parmi les additions, on compte: farine de roche (farine de calcaire et de quartz) cendre volante fumée de silice schiste calciné laitiers granulés de haut fourneau pouzzolane pigments fibres Les additions au ciment sont utilisées comme constituants principaux pour réduire la teneur en clinker du ciment. Elles sont incorporées au ciment en usine par mouture conjointe ou par mélange avec le clinker. On obtient ainsi, non seulement un dosage précis et constant, mais également une répartition homogène des additions dans le ciment. Les additions au béton sont ajoutées au mélange dans le malaxeur de la centrale de fabrication. Il est ainsi possible de choisir librement les proportions du mélange addition ciment et de les adapter précisément aux exigences de la recette. Cet avantage ne va cependant pas sans quelques inconvénients. D abord, le stockage séparé des additions nécessite des silos, des équipements de dosage et des contrôles supplémentaires. Ensuite, certaines additions ont tendance à former des grumeaux lors d un stockage prolongé. Enfin, la confection d un béton homogène requiert parfois une durée de malaxage plus longue Exigences normatives Au contraire des adjuvants, chaque addition est régie par une norme produit spécifique. Les additions du ciment sont réglementées dans la norme SN EN Le tableau offre un aperçu des additions au béton les plus importantes et leurs normes produits correspondantes. La norme SN EN distingue deux types d additions: le type I désigne les substances inertes (p. ex. le filler calcaire et les pigments), qui n engendrent pas de réaction chimique. Les additions du type II ont un caractère chimiquement réactif, tels que les cendres volantes, la fumée de silice, le laitier granulé et les pouzzolanes. La prise en compte des additions de type II n est admise que pour les cendres volantes, les fumées de silice, les laitiers granulés et certaines pouzzolanes, comme p. ex. Hydrolith F200. Une partie des additions peut être prise en compte pour le calcul du dosage minimal en ciment et du rapport eau/ ciment maximal selon le concept du coefficient k pour les bétons à propriétés spécifiées. La valeur du coefficient k Fig : Surface spécifique des additions en comparaison avec le ciment. Fumée de silice Pigments Farine de calcaire Cendre volante Schiste calciné Pouzzolane Laitier granulé moulu CEM I 52,5 CEM I 42,5 CEM I 32, Surface spécifique [cm 2 /g] 38 Holcim guide pratique du béton

184 Addition au béton Norme produit Cendre volante SN EN Cendres volantes pour béton Partie 1: Définition, spécifications et critères de conformité SN EN Cendres volantes pour béton Partie 2: Evaluation de la conformité Tab : Aperçu des additions au béton les plus importantes et leurs normes produits correspondantes. Fumée de silice SN EN Fumée de silice pour béton Partie 1: Définitions, exigences et critères de conformité Laitier granulé de haut fourneau moulu SN EN SN EN SN EN Fumée de silice pour béton Partie 2: Evaluation de la conformité Laitier granulé de haut fourneau moulu pour utilisation dans le béton, mortier et coulis Partie 1: Définitions, exigences et critères de conformité Laitier granulé de haut fourneau moulu pour utilisation dans le béton, mortier et coulis Partie 2: Evaluation de la conformité Pouzzolane DIN Trass Pigments SN EN Pigments de coloration des matériaux de construction à base de ciment et/ou de chaux Spécifications et méthodes d essai Fibres SN EN Fibres pour béton Partie 1: Fibres d acier Définition, spécifications et conformité SN EN Fibres pour le béton Partie 2: Fibres de polymère Définition, spécifications et conformité Addition de type II Coeff. k [-] Type de ciment Classe de résistance du ciment Classes d exposition / sortes de bétons Quantité d addition pouvant être considérée dans E/C éq et C min, add [kg/m 3 ] Tab : Prise en compte des additions du type II selon la norme SN EN CEM I 32,5; 42,5; 52,5 toutes 0.33 C Cendre volante SN EN CEM II/A-LL 42,5; 52,5 XC1 à XC4, XD1, XF C min XC1; XC2; XC4; XD1; XF C min CEM II/B-M (T-LL) a) 42,5 XC C min CEM II/B-M (S-T) a) 42,5 R toutes 0.25 C min Fumée de silice SN EN CEM I 32,5; 42,5; 52,5 toutes 0.11 C CEM II/A-LL 32,5; 42,5; 52,5 toutes 0.11 C Laitier SN EN CEM I 32,5; 42,5; 52,5 sortes de bétons D à G, exceptionnellement aussi les sortes A à C 0.50 C min CEM I 32,5; 42,5; 52,5 toutes sauf XF2 et XF C min Hydrolith F200 b) 0.4 CEM II/A-LL 42,5; 52,5 XC1 à XC4; XD1; XF C min CEM II/B-M (T-LL) a) 42,5 XC1 à XC4; XD1; XF C min a) L autorisation est liée à l origine des produits et n est valable que pour les ciments Optimo 4, respectivement Robusto 4R-S, en combinaison avec la cendre volante de Holcim (combinaisons testées selon annexe L). b) Pour le béton devant résister à la RAG, l emploi d Hydrolith n est admis que si la preuve d aptitude selon le cahier technique SIA 2042 est donnée. C = dosage effectif en ciment [kg/m 3 ] C min = dosage min. en ciment [kg/m 3 ] (voir chapitre 2.3.2) Holcim guide pratique du béton 39

185 1. Les constituants du béton 1.5 Additions Exemple 3: Pour une valeur k = 1.0, p. ex. pour la fumée de silice, 1 part de fumée de silice = 1 part de ciment. Pour une valeur k = 0.4, p. ex. pour les cendres volantes, 1 part de cendres volantes = 0.4 part de ciment. et les quantités maximales à prendre en compte dépendent du type d addition et de leur réactivité chimique. Le tableau donne une synthèse des informations les plus importantes coefficient k, type de ciment, classe d exposition / sorte de béton et dosage maximal d addition pour les additions du type II admises en Suisse. Les combinaisons de ciments et d additions ne figurant pas dans le tableau ne sont pas admises, mais peuvent être libérées suite à une procédure d épreuve selon l annexe L de la norme SN EN Lors de l application du concept du coefficient k, il faut impérativement respecter les 4 conditions suivantes. La condition 3 s applique seulement en cas d utilisation conjointe de plusieurs additions réactives. Condition 1: Détermination du dosage en ciment minimal C min, add en cas d utilisation d addition: Cas de la cendre volante ou de l Hydrolith F200 Exemple 4: Combinaison de ciment CEM II/B-M (T-LL) et cendre volante CV, classe d exposition XC1 (dosage minimal en ciment C min = 280 kg/m 3 ) C min, CV C min (k (C min 200)) = 280 (0.4 ( )) = 248 kg/m 3 Exemple 5: Combinaison de ciment CEM II/A-LL et cendre volante, teneur en calcaire (KG) selon indication du producteur: 17 % en masse (sans indication du producteur: KG = 20 % en masse) Classe d exposition XC1 (dosage minimal en ciment C min = 280 kg/m 3 ) KG C min, CV C min k (C min 200) 1 = 100 KG ( ) 1 = kg/m 3 Condition 2: Quantité maximale d additions réactives pouvant être considérée (voir tab ). C min, add C min (k (C min 200)) 1 Cas de la fumée de silice C min, add C min k FS Cas du laitier KG (100 KG) Exemple 6: Combinaison de ciment CEM II/B-M (T-LL) et cendre volante CV, classe d exposition XC1 (dosage minimal en ciment C min = 280 kg/m 3 ) max. CV = 0.25 C min = = 70 kg/m 3 max. CV prise en compte = k max. CV = = 28 kg/m 3 C min, add C min (k (C min 200)) C min, add Dosage minimal en ciment en cas d utilisation d une addition [kg/m 3 ] C min Dosage minimal en ciment selon exigences relatives à la composition des bétons des sortes A à G et P1 à P4 [kg/m 3 ] k Coefficient k de l addition de type II [-] KG Teneur en calcaire du ciment CEM II/A-LL [% en masse] FS Dosage en fumée de silice [kg/m 3 ] Eq Condition 3: Calcul du dosage maximal d addition réactives (max. AR) en cas d utilisation conjointe de plusieurs additions réactives, afin d assurer une alcalinité suffisante de la solution des pores du béton armé et précontraint. Le calcul est valable seulement pour les ciments CEM I et CEM II/A-LL et la combinaison des cendres volantes avec de la fumée de silice ainsi que la combinaison de l Hydrolith F200 avec la fumée de silice. Une utilisation conjointe de fumée de silice et du laitier ou de fumée de silice et d autres additions pouzzolaniques n est pas admise. Les deux conditions partielles (3a et 3b) doivent être satisfaites. 40 Holcim guide pratique du béton

186 Condition partielle 3a: max. cendre volante (0.66 C 3 FS) ou max. Hydrolith F200 (0.66 C 3 FS) Condition partielle 3b: max. fumée de silice 0.11 C Condition 4: Calcul du rapport équivalent E/C éq E E max. = max. E/C C éq (C min, add + k max. AR prise en compte ) Eq Pour le calcul volumétrique deux cas de figure se présentent pour respecter le rapport E/C maximal sans tenir compte des additions. Cas 1: réduction de la teneur en eau Cas 2: augmentation du dosage minimal en ciment en tenant compte des additions C min,add au dosage minimal en ciment C min sans tenir compte des additions Exemple 7: Combinaison de ciment CEM II/B-M (T-LL) et cendre volante CV, classe d exposition XC1 (dosage minimal en ciment (C min = 280 kg/m 3, E/C max. = 0.65) C éq = C min,cv + k max. CV prise en compte = = 276 kg/m 3 E/C éq = E/276 max. E/C = 0.65 E = 179 kg/m Propriétés des additions inertes Farines de roche Les poudres de roche comme les farines de calcaire ou de quartz complètent et améliorent le squelette granulaire du béton au niveau des farines en raison de leur finesse et de la forme de leurs grains, ainsi que de leur granularité. On les ajoute par exemple aux sables pauvres en farines afin d enrichir cette classe granulaire en éléments fins, ce qui se traduit par une meilleure ouvrabilité et une texture plus compacte du mélange. Par leur effet de remplissage, elles réduisent la porosité du béton. L aptitude à l emploi des farines de calcaire ou de quartz prévu doit être vérifiée. Pigments Les pigments minéraux sont utilisés pour colorer les bétons et mortiers (fig ). En pratique, seuls les pigments à base d oxydes, dont les spinelles, satisfont aux exigences requises en matière de stabilité et de granulométrie. Les pigments n entraînent pas de réaction chimique au sein du béton. Leur demande en eau relativement élevée nécessite en général une augmentation du rapport E/C, à moins que cet effet ne soit compensé par l emploi simultané d adjuvant fluidifiant. Le dosage en pigments quelques pourcents de la masse du ciment est dicté par l intensité de la teinte recherchée et figure dans la documentation du fournisseur. Avec le temps, une certaine atténuation de la teinte des bétons colorés est inévitable, même si l on utilise les meilleurs pigments. Les bétons teintés peuvent être confectionnés avec du ciment gris ou blanc (voir chapitre 7.1). Avant et après la production et mise en œuvre de bétons colorés, il faut soigneusement nettoyer le malaxeur, les véhicules de transport et les dispositifs de transbordement et de mise en place du béton, sous peine de tacher ou teinter les gâchées suivantes. Cas 1: La teneur en eau doit être réduite de 182 kg/m 3 à 179 kg/m 3 en appliquant le concept du coefficient k. Fig : Béton coloré avec des pigments. Cas 2: Le dosage minimal en ciment C min, add doit être augmenté de 276 kg/m 3 à 280 kg/m 3 en appliquant le concept du coefficient k. En cas d utilisation conjointe de plusieurs additions réactives, il est possible d en tenir compte pour le calcul du dosage en ciment en appliquant leur coefficient k (C éq = C min, add + Σ k i max. AR prise en compte ). Holcim guide pratique du béton 41

187 1. Les constituants du béton 1.5 Additions Propriétés des additions chimiquement réactives Composition chimique Le diagramme ternaire CaO / SiO 2 / Al 2 O 3 + Fe 2 O 3 montre les relations chimiques entre les additions réactives schiste calciné, cendre volante, fumée de silice, laitier granulé et le clinker de ciment Portland (fig ). Les additions avec une haute teneur en CaO réagissent plutôt de manière hydraulique, tandis que celles avec une teneur élevée en SiO 2 ont un comportement pouzzolanique. Les mécanismes de réaction du clinker de ciment Portland et des additions réactives sont décrits plus en détails au chapitre 2.1. d énergie extérieur. Ce processus de combustion produit le schiste calciné, qui est composé de différents éléments anorganiques, chimiquement réactifs. L énergie libérée par le processus thermique peut être exploitée pour produire de l électricité. Le schiste calciné est uniquement utilisé comme addition au ciment. Les ciments qui contiennent du schiste calciné moulu se comportent de façon semblable aux ciments contenant des additions pouzzolaniques. Ils sont caractérisés par un développement modéré de chaleur d hydratation, une excellente capacité de rétention d eau et de stabilité avant la prise ainsi que par une durabilité élevée. Le clinker de ciment a par exemple une composition courante de 68 % CaO / 24 % SiO 2 / 8 % Al 2 O 3 + Fe 2 O 3. Le diagramme met en évidence que le schiste calciné et le laitier granulé sont les plus proches du clinker de ciment Portland. De ce fait, on peut s attendre à ce que leur réaction soit hydraulique ou latente hydraulique Schiste calciné Le schiste bitumineux est une roche sédimentaire, qui contient des composants organiques combustibles (nommés kérogène) (fig ). Grâce à ses composants organiques, le schiste bitumineux peut brûler à une température d environ 800 C de façon autonome, sans apport 50 CaO [% en masse] AI 2 O 3 + Fe 2 O 3 [% en masse] fumée de silice (D) schiste calciné (T) cendre volante silicceuse (V) Pouzzolane naturelle et naturelle calcinée (P, Q) laitier (laitier granulé de haut fourneau) (S) clinker de ciment Portland (K) SiO 2 [% en masse] Fig : Carrière de schistes bitumineux proche de Rottweil/D. Cendre volante Les cendres volantes sont un sous-produit des centrales thermiques, dont la qualité dépend non seulement du charbon utilisé comme combustible, mais aussi des installations techniques de la centrale et de son mode d exploitation. Les cendres volantes sont constituées de particules dont la finesse et la forme sphérique caractéristique (fig ) contribuent à améliorer l ouvrabilité du béton frais. Les cendres volantes sont des additions typiquement pouzzolaniques. Les bétons à cendres volantes montrent, en accord avec leur réaction lente, un développement réduit de chaleur d hydratation et de résistance à la compression. Ceci exige une prolongation des délais de décoffrage et des durées de cure. Par contre l activité pouzzolanique, au-delà de l âge habituel des essais à 28 jours, conduit à un gain de résistance ultérieure et à une densification microstructurale supplémentaire. CaO oxyde de calcium SiO 2 oxyde de silice AI 2 O 3 oxyde d aluminium Fe 2 O 3 oxyde de fer Fig : Diagramme ternaire CaO / SiO 2 / Al 2 O 3 + Fe 2 O 3 des additions réactives et du clinker de ciment Portland. 42 Holcim guide pratique du béton

188 diminution importante de la porosité du béton, de ce fait une amélioration notable de la durabilité: résistance accrue au gel, gel en présence de sels de déverglaçage, aux sulfates ainsi qu aux agents chimiques agressifs importante élévation de la résistance mécanique du béton mais aussi de sa fragilité Laitier granulé de haut fourneau Le laitier granulé de haut fourneau est un sous-produit de l industrie sidérurgique. Séché et moulu à une finesse au moins équivalente à celle du ciment, il est employé comme farine de laitier. Fig : Forme caractéristique des cendres volantes (photo au microscope électronique à balayage). Fumée de silice La fumée de silice est composée de poussières riches en silice réactive, provenant de la production d alliages de silice à haute température et récoltées dans des filtres à poussières. Elles sont livrées sous forme pulvérulente ou en suspension aqueuse (slurry) et ne sont utilisées, à cause de leur prix élevé, que pour des applications particulières, telles que les bétons projetés, les bétons à hautes résistances ou à ultra-hautes performances. En raison de son extrême finesse et sa haute teneur en silice, la fumée de silice, parfois aussi appelée microsilice, possède une réactivité chimique très élevée. Elle peut occasionner des difficultés de dosage ou d homogénéité durant la production du béton. De ce fait, il est préférable d employer directement un ciment Portland à la fumée de silice. La fumée de silice influe sur les propriétés suivantes du béton: cohésion accrue, augmentation du caractère collant et du pouvoir de rétention d eau du béton frais, donc pas de ségrégation réduction des rebonds du béton projeté Les ciments de haut fourneau (CEM III) ont une montée en résistance ralentie et exigent une prolongation nette des délais de décoffrage et des durées de cure. Les bétons aux ciments de laitier bénéficient des avantages suivants: une microstructure de la pâte de ciment plus dense, de ce fait une amélioration notable de la durabilité: résistance accrue aux sulfates et aux chlorures, à la RAG ainsi qu aux agents chimiques agressifs. faible chaleur d hydratation et production de chaleur ralentie ; donc emploi pour des éléments d ouvrage massifs et en cas de température environnante élevée. risque d efflorescence diminué (en cas de teneur élevée en laitier). résistance à court terme réduite mais un potentiel plus élevé de gain en résistance ultérieure, après 28 jours. Pouzzolane Les pouzzolanes naturelles comme p. ex. le Trass originaire d Allemagne ont des propriétés très différentes et variables suivant leur origine. Ce sont des farines de roches volcaniques ou sédimentaires avec des compositions chimiques et minéralogiques particulières. Les pouzzolanes naturelles calcinées sont des roches volcaniques (p. ex. phonolithes), des argiles ou des roches sédimentaires. Les pouzzolanes ont en règle générale des teneurs élevées en alcalins. Lors d un emploi avec des granulats potentiellement alcali-réactifs, il faut prêter une attention particulière au risque de réaction alcalis-granulats (RAG) (voir chapitres 6.4 et 8.9). Fig : Granulation du laitier de haut fourneau par écoulement du courant liquide de laitier fondu dans un jet d eau de refroidissement. Holcim guide pratique du béton 43

189 1. Les constituants du béton 1.5 Additions Propriétés des fibres Introduction Il est possible d ajouter au béton des fibres de nature et type différents. On distingue les fibres pour des usages statiques (armature) des fibres pour d autres usages (p. ex. résistance au feu, résistance au jeune âge). On utilise en règle générale des fibres courtes et bien dispersées dans le mélange, mais aussi des faisceaux de longues fibres (filés, rovings), réunis en trame et servant d armature textile. Les fibres sont ajoutées au béton frais, et dans le cas idéal, réparties de manière homogène et sans orientation préférentielle dans le béton. Leur effet se développe localement. Les fibres utilisées pour des usages statiques (armature) transmettent dans la section de la fissure les forces qu auparavant le béton devait reprendre. La formation des fissures et leur ouverture dépendent du dosage, de la nature et de la forme des fibres. Le béton acquiert grâce à l ajout des fibres une résistance post-fissuration accrue et une plus grande capacité de déformation. Une condition importante de l efficacité des fibres à usage statique est leur bonne adhérence avec la pâte de ciment. Les fibres obtiennent cette adhérence par leurs caractéristiques de surface et par un ancrage mécanique obtenu grâce à leur forme particulière. Leurs dimensions doivent être telles que leur résistance à la rupture doit être supérieure à leur résistance à l arrachement dans le béton. Outre l adhérence et le dosage, l élancement des fibres le rapport entre la longueur et l épaisseur joue un rôle important. Plus les fibres sont élancées, plus leur effet est important. L ouvrabilité du béton diminue avec l augmentation du dosage, de l élancement des fibres et de leur divergence par rapport à une forme linéaire (voir chapitre 5.3). Le tableau récapitule les matériaux fibreux les plus courants et leurs propriétés caractéristiques. Matériaux fibreux Fibres d acier Grâce à leur résistance à la traction et leur module d élasticité élevés en comparaison avec le béton, les fibres d acier sont particulièrement adaptées aux usages statiques. Les propriétés mécaniques dépendent fortement du matériau de base et du processus de production. Les fibres d acier peuvent être étirées, fraisées, usinées, découpées, estampées ou fabriquées à partir de l acier en fusion. La résistance à la traction la plus élevée est obtenue avec des fibres en fil d acier étiré et atteint jusqu à 2600 N/mm 2. Ces fibres entrent typiquement dans la composition des bétons fibrés à ultra-hautes performances. Les fibres fabriquées d une autre façon possèdent des résistances nettement plus faibles. Les fibres en acier peuvent être revêtues avec divers autres métaux pour réduire leur risque de corrosion. L adhérence des fibres d acier avec la pâte de ciment est renforcée par des crochets aux extémités, des épaississements ou des profilages. Les dosages typiques se situent entre kg/m 3, exceptionnellement jusqu à 120 kg/m 3, pour les bétons fibrés à ultra-hautes performances ils atteignent jusqu à 400 kg/m 3 (5 % vol.). Fibres polymères Les différents types de fibres polymères se distinguent par leur composition chimique et les propriétés qui en résultent. A quelques rares exceptions près (voir tab ), les fibres polymères possèdent un module d élasticité plus faible que l acier. Elles sont employées préférentiellement pour les usages suivants: réduction de la fissuration induite par le retrait précoce réduction du rebond du béton projeté augmentation de la résistance au feu des bétons à haute ou ultra-haute résistance augmentation de la résistance au jeune âge du béton frais amélioration du pouvoir de rétention d eau Matériau fibreux Masse volumique [kg/dm 3 ] Résistance à la traction [N/mm 2 ] Module d élasticité [kn/mm 2 ] Allongement à la rupture [ ] Résistance aux alcalins 1) Température max. [ C] Epaisseur [µm] Acier Polypropylène (PP) Polyéthylène (PE) Alcool polyvinylique (PVA) AR-verre Carbone ) ++ très bonne résistance ; + bonne résistance. Tab : Les matériaux fibreux les plus courants et leurs propriétés caractéristiques. 44 Holcim guide pratique du béton

190 Les fibres polymères sont subdivisées selon la norme SN EN : Classe Ia: microfibres polymères avec un diamètre < 0.30 mm, monofilament Classe Ib: microfibres polymères avec un diamètre < 0.30 mm, fibrilleux Classe II: microfibres polymères, avec un diamètre > 0.30 mm Les fibres polypropylènes (PP) sont employées pour prévenir les fissures dues au retrait précoce. Elles augmentent le pouvoir de rétention d eau et sont capables d éviter la fissuration de la pâte de ciment au jeune âge ou de réduire l ouverture des fissures. Leur point de fusion se situe à 170 C environ. De ce fait on les emploie aussi pour augmenter la résistance au feu des bétons à haute ou ultra-haute résistance. En cas d incendie, la fusion des fibres crée un réseau de pores et permettent de réduire la pression de la vapeur d eau qui se crée dans le béton. Ainsi on peut éviter les éclatements du béton. Les fibres PP sont dosées entre 0.5 et 4 kg/m 3. Fibres de verre Les fibres de verre atteignent des résistances à la traction élevées ( N/mm 2 ) et un module d élasticité qui dépasse celui du béton de deux à trois fois. Le verre normal n est pas résistant dans le milieu alcalin du béton. Par l addition de dioxyde de zirconium et un revêtement particulier, il est possible d augmenter la résistance aux alcalins des fibres de verre, de manière à ce qu elles conservent leurs propriétés à plus long terme dans le béton. La sensibilité du verre vis à vis des endommagements de surface, comme il peut s en produire lors du malaxage, réduit théoriquement leur très haute résistance initiale. Selon l usage prévu on incorpore au béton entre 0.5 et 15.0 kg/m 3 de fibres de verre. Fibres de carbone Les fibres de carbone l emportent sur les fibres en acier en ce qui concerne la résistance à la traction et le module d élasticité. Leur production est cependant exigeante et onéreuse. Les fibres de carbone sont de plus en plus employées sous forme de faisceaux de fibres longues dans les trames des armatures textiles. Les fibres polyéthylènes (PE) sont appropriées en tant qu armatures grâce à leurs bonnes propriétés mécaniques, mais elles sont relativement chères et donc peu utilisées. Les fibres d alcool polyvinylique (PVA) ont servi à l origine pour remplacer des fibres d amiante. Leurs bonnes propriétés mécaniques sont exploitées pour augmenter la résistance du béton à la traction par flexion. fibre d acier fibre d acier fibre d acier fibre polypropylènes extrudées (macrofibres polymères) Fig : Différents types de fibres. fibre de verre fibre polypropylenes (microfibres polymères) Holcim guide pratique du béton 45

191

192 Chapitre 2 Béton bases, production et exigences 2.1 Bases de la technologie du béton Introduction Hydratation du ciment Structure de la pâte de ciment Formulation du béton Production de béton Introduction Assurance de la qualité Exigences normatives relatives au béton Introduction Béton à propriétés spécifiées Béton à composition prescrite 74

193 2. Béton bases, production et exigences 2. Béton bases, production et exigences 2.1 Bases de la technologie du béton 2.1 Bases de la technologie du béton Fig : Proportions pondérales et volumétriques du système à 5 constituants du béton Introduction Le béton est un matériau obtenu en mélangeant les constituants, à savoir du ciment, de l eau, des granulats grossiers et fins, avec ou sans ajout d additions ou d adjuvants. Les possibilités de variation des paramètres au sein de ce mélange de 5 constituants sont pratiquement illimitées, ce qui permet d influencer de façon ciblée aussi bien les propriétés du béton frais que celles du béton durci. Proportions pondérales des composants du béton [% en masse] additions 2.2 adjuvants 0.1 air 0 eau 7.5 ciment 12.9 granulat Proportions volumétriques des composants du béton [% vol.] Hydratation du ciment Lors de l hydratation du ciment, les minéraux de clinker du ciment C 3 S, C 2 S, C 3 A et C 4 AF réagissent avec l eau et se transforment en phases hydratées. Elles provoquent le raidissement et le durcissement de la pâte de ciment. L évolution des phases hydratées et de la structure s opère au cours de trois phases d hydratation (fig ). Lors de la première phase d hydratation (I), le C 3 A réagit très vite et fortement avec le sulfate de calcium dissous (à savoir du gypse ajouté en tant que régulateur de prise). Les hydrates sulfatés d aluminate de calcium, surtout le trisulfate appelé aussi ettringite, forment des cristaux en colonnes courtes et hexagonales à la surface des particules de clinker. La création de cette fine carapace de cristaux bloque temporairement l hydratation. Les premiers produits de réaction sont encore trop petits pour combler l espace entre les particules de clinker qui peuvent toujours se mouvoir librement. De ce fait la pâte de ciment ne se raidit que très peu. Le raidissement et ensuite la prise de la pâte de ciment ne commencent qu après 1 à 3 heures, lorsque de très fines aiguilles de cristaux de silicates de calcium hydratés (CSH) précipitent à la surface des particules de clinker. Les cristaux croissants s emmêlent de plus en plus et la pâte de ciment commence à se rigidifier. ciment 9.7 additions 2.2 adjuvants 0.2 air 1.5 eau 17.5 granulat Le béton acquiert ses propriétés essentiellement au travers de la réaction chimique du ciment avec l eau, ce qu on appelle l hydratation du ciment. La vitesse de réaction du ciment est déterminante pour la prise et le durcissement du béton. Pendant la seconde phase d hydratation (II), la structure de base se met en place. Elle est constituée de faisceaux fibreux de CSH, des plaquettes d hydroxyde de calcium (Ca(OH) 2 ) et des cristaux allongés d ettringite. Les plus grands cristaux pontent l espace entre les grains de clinker et s enchevêtrent. La troisième phase d hydratation (III) est la solidification progressive de la structure, par le durcissement graduel de la pâte de ciment. Le mécanisme fondamental est la cristallisation de courtes aiguilles et fibres qui de fait comblent les interstices. La vitesse d hydratation est réduite. Tandis que le C 3 A représente le minéral de clinker décisif pour la mise en œuvre et la prise, le C 3 S à réaction rapide et le C 2 S à réaction lente sont déterminants pour la création d une structure stable et la montée en résistance. Le C 3 S et le C 2 S libèrent de grandes quantités d hydroxyde de calcium qui ne contribuent pas à la résistance, mais 48 Holcim guide pratique du béton

194 protègent l armature contre la corrosion en raison de sa puissante action alcaline. Un ciment Portland hydraté (CEM I) contient après son hydratation complète environ 60 % en masse de CSH et 30 % en masse d hydroxyde de calcium. Proportion pondérale volume de pores CSH fibres longues CSH fibres courtes trisulfate minutes heures jours Temps dʼhydratation Phase dʼhydratation I II III Ca(OH) 2 C 4 (A,F)H 13 monosulfate mêmes produits que l hydratation du clinker de ciment Portland. Les substances à réaction pouzzolanique sont le schiste calciné, la cendre volante et la fumée de silice. Elles réagissent avec l hydroxyde de calcium libéré lors de l hydratation du clinker pour donner des hydrates de silicate de calcium et des hydrates d aluminate de calcium. L hydratation est un processus dépendant du temps, qui ralentit avec l âge. Une mesure de l avancement est le degré d hydratation α qui décrit l état d hydratation au moment. Il indique la proportion de ciment hydraté par rapport à la teneur initiale de ciment. Puisque la détermination analytique s avère difficile, tant celle du ciment encore non hydraté que celle des quantités formées de produits de réaction, on estime le degré d hydratation par le biais de paramètres indirects, tels que la montée en résistance ou la teneur en eau liée chimiquement. Le degré d hydratation dépend principalement du temps écoulé, de la teneur en eau de la pâte de ciment, des conditions de température, de la composition chimique et de la finesse de mouture du ciment. Initialement, le degré d hydratation est zéro et se situe à la fin de la prise à environ 0.15: il atteint 100 % pour une hydratation complète (α=1). Une hydratation complète n est éventuellement atteinte qu après de nombreuses années. structure instableplastique structure instable raidie structure de base structure stable particule de clinker Fig : Représentation schématique de l évolution dans le temps des phases hydratées et de la structure. Outre l hydratation du clinker de ciment Portland, les autres additions réactives peuvent également s hydrater, toutefois de manière différente, et participer à la montée en résistance. On distingue les types de réaction suivants: hydraulique hydraulique latente pouzzolanique Le schiste calciné est un autre liant hydraulique en plus du clinker de ciment Portland. Ces liants durcissent aussi bien à l air que sous l eau, devenant alors durablement insolubles dans l eau. Les substances hydrauliques latentes telles que le laitier de haut fourneau moulu ont besoin d un activateur pour la réaction chimique. Les alcalins libérés lors de l hydratation du clinker (NaOH, KOH, Ca(OH) 2 ) permettent une activation alcaline. Pour l activation sulfatique, on se sert du gypse additionné au ciment. La réaction hydraulique latente conduit essentiellement aux Holcim guide pratique du béton 49

195 2. Béton bases, production et exigences 2.1 Bases de la technologie du béton Fig : Représentation schématique de la création des pores capillaires en fonction du rapport E/C Structure de la pâte de ciment La structure générée lors de l hydratation du ciment revêt une importance capitale pour les propriétés mécaniques et la durabilité du béton. Une fois l eau mélangée avec le ciment, les particules de ciment encore non hydratées sont recouvertes d une fine pellicule d eau dont l épaisseur augmente avec la teneur en eau. Avec l avancement de l hydratation, les produits de réaction cristallisent au fur et à mesure dans les interstices occupés au départ par l eau. Le ciment est capable de lier chimiquement environ 25 % de l eau et physiquement environ 15 %, soit au total 40 % de la masse d eau totale. Ceci correspond à un rapport eau / ciment (rapport E/C) égal à 0.40 (voir chapitre 2.1.4). Pour ce rapport E/C, les produits de l hydratation remplissent presque entièrement les interstices entre les grains de ciment. L eau liée physiquement occupe les pores de gel (rayons des pores entre 10 9 et 10 8 m). En cas de rapports E/C inférieurs à 0.40, la quantité d eau présente lors du malaxage du béton ne suffit pas à hydrater totalement le ciment et il reste des particules de ciment non hydratées. eau particule de ciment hydratation rapport eau / ciment E/C = 0.20 hydratation rapport eau / ciment E/C = 0.40 Si les rapports E/C sont supérieurs à 0.40, la pâte de ciment comprend des inclusions qui sont d abord remplies d eau, mais qui se vident ensuite lors du séchage du béton. Ces vides forment un système de pores capillaires d un rayon situé entre environ 10 8 et 10 5 m. A partir des rapports E/C supérieurs à 0.60, la perméabilité du système de pores capillaires augmente (fig ). La porosité du gel est dans une large mesure indépendante du rapport E/C et ne peut donc pas être influencée par des mesures liées à la technologie du béton. La figure présente la composition volumétrique de la pâte de ciment en fonction du rapport E/C. Les propriétés de la pâte de ciment sont essentiellement déterminées par la porosité capillaire, qui dépend du rapport E/C et du degré d hydratation, mais aussi de la densité de compactage des particules de ciment. Une granularité optimale d un ciment Portland pur permet d obtenir une densité de compactage moyenne (voir chapitre 1.1.2). Celle-ci peut être encore améliorée si les espaces résiduels entre les grains de ciment (les interstices) sont remplis avec des additions de ciment. La figure illustre schématiquement les différentes densités de compactage de deux ciments à gauche: ciment Portland d une densité de compactage moyenne et à droite: ciment Portland composé d une densité de compactage élevée. Plus les classes granulaires des principaux constituants sont adaptées les unes aux autres, plus la densité de compactage sera élevée. Cet effet d ordre purement physique repose également sur l effet filler par lequel l eau est chassée des interstices par des substances d une classe granulaire suffisamment fine pour y entrer (p. ex. la farine calcaire et le schiste calciné finement moulu). hydratation rapport eau / ciment E/C = 0.60 pores capillaires (eau) Fig : Composition volumétrique de la pâte de ciment en fonction du rapport E/C (degré d hydratation 100 % (α = 1)). Volume [%] cimentnon hydraté pores dʼair pores de gel pores capillaires gel de ciment (solide) Rapport E/C [-] 50 Holcim guide pratique du béton

196 Densité moyenne de compactage du ciment Portland clinker de ciment farine de calcaire Densité de compactage élevée du ciment Portland composé 1 mm Fig : Image microscopique de la zone de transition entre un grain de granulat et la pâte de ciment. schiste calciné finement moulu Fig : Représentation schématique de la densité de compactage de ciments avec différents constituants principaux. Si l on incorpore les additions réactives au ciment, leurs produits d hydratation supplémentaires renforcent l «effet filler». Dans le béton, ces interstices n existent pas seulement dans la pâte de ciment, mais également dans la zone de transition, qu on appelle aussi zone de contact, entre un grain de granulat et la pâte de ciment. La zone de transition est en général d une porosité plus élevée que la pâte de ciment proprement dite et présente, pour un béton normal, une épaisseur d env. 50 μm (fig ). L apparition d une zone de contact poreuse est due non seulement aux effets de bord, mais aussi à une densité de compactage moindre et à l eau ressuée par la pâte de ciment qui se dépose comme un film sur les granulats. Outre la porosité plus élevée de la zone de contact, on constate également une forme modifiée plus grossière des cristaux d hydroxyde de calcium empêchant un enchevêtrement aussi dense que dans la pâte de ciment voisine. A l aide des additions réactives, on peut obtenir selon leur réactivité et finesse une nette densification de la zone de contact, en réduisant son épaisseur et la proportion de gros cristaux d hydroxyde de calcium. La figure présente de façon schématique pour différents types de ciment la zone de transition du granulat. produits d hydratation du clinker de ciment filler calcaire produits d hydratation du schiste calciné Fig : Représentation schématique de la zone de transition des granulats dans différents types de ciment. granulat granulat granulat produits d hydratation du laitier Ciment Portland Ciment Portland composé avec du filler calcaire et du schiste calciné: CEM II/B-M (T-LL) Ciment Portland composé avec du schiste calciné et du laitier: CEM II/B-M (S-T) Holcim guide pratique du béton 51

197 2. Béton bases, production et exigences 2.1 Bases de la technologie du béton Formulation du béton Généralités La formulation du béton tient compte des exigences à l égard des propriétés de béton frais et durci. Les exigences posées au béton frais se définissent principalement par les conditions de production, de transport et de mise en œuvre, p. ex. l ouvrabilité, l aptitude au pompage ou le bétonnage par temps extrême. Quant au béton durci, les exigences concernent principalement les propriétés mécaniques et la durabilité. Volume de pâte de ciment [l/m 3 ] granulat roulé granulat concassé Fig : Modèle de l effet de la pâte de ciment dans le béton. Volume de la pâte de ciment Dans le cas le plus simple, la pâte de ciment est constituée de ciment, d eau, d air ainsi que des éventuelles additions. La pâte de ciment remplit les interstices entre les granulats. Dès que ceux-ci sont comblés, elle peut créer une pellicule enrobant les granulats et déployer son effet lubrifiant (fig ). On part alors du principe que la couche d enrobage de la pâte de ciment est constante pour tous les granulats. La consistance du béton frais s assouplit au fur et à mesure que l épaisseur de la couche de pâte de ciment augmente. remplissage effet lubrifiant D max [mm] Fig : Volume de la pâte de ciment nécessaire en fonction de la dimension maximale du granulat. La granularité du ciment influence également le besoin en pâte de ciment. Plus la distribution granulométrique du ciment est large, plus élevée sera la densité de compactage et plus faible sera le besoin en pâte de ciment (voir chapitre 2.1.3). Rapport eau / ciment (rapport E/C) la masse d eau efficace et celle du ciment, rapportée à 1 m 3 de béton frais: pâte de ciment granulat rapport eau / ciment E/C = Eq masse de l eau E masse du ciment C Un béton de construction avec de bonnes propriétés d ouvrabilité et de compactage devrait posséder un volume minimal de pâte de ciment de l ordre de 280 l/m 3 pour une dimension maximale du granulat de 32 mm. Plus la dimension maximale du granulat baisse, plus le besoin en pâte de ciment augmente. Le besoin en pâte de ciment est plus élevé avec des granulats concassés en raison des surfaces spécifiques plus grandes que pour les granulats roulés (fig ). Exemple 8: Calcul du rapport eau / ciment Teneur en eau efficace: 150 l/m 3 = 150 kg/m 3 Teneur en ciment: 300 kg/m 3 E/C = 150 / 300 = 0.50 Si, en plus du ciment, on utilise des additions, on calcule alors un rapport eau / ciment équivalent (E/C éq ) (voir chapitre 1.5.2). D une manière générale, les propriétés du béton durci diminuent énormément avec l augmentation du rapport E/C. La figure illustre de façon qualitative les conséquences d un rapport E/C bas et élevé pour quelques propriétés choisies. 52 Holcim guide pratique du béton

198 rapport eau / ciment bas rapport eau / ciment élevé haute faible résistance faible forte absorption dʼeau Résistance à la compression sur cube du béton à 28 jours [N/mm²] Rapport E/C petit grand Fig : Relation pour le ciment Optimo 4 entre la résistance à la compression sur cube à 28 jours et le rapport E/C d un béton produit et conditionné conformément à la norme. retrait sans dégradation dégradation Exemple 9: Estimation de la résistance à la compression sur cube du béton à 28 jours E/C = 0.63 f c, cube = 38 N/mm 2 durabilité Calcul volumétrique surface sombre teinte surface claire L outil indispensable pour la formulation du béton est le calcul volumétrique. À l aide du calcul volumétrique, on définit le rapport fonctionnel entre le volume et la masse d un système à plusieurs constituants. Pour le béton, l équation utilisée pour calculer le volume de la masse correspondant à un mètre cube de béton est la suivante: Fig : Conséquences qualitatives d un rapport E/C bas et élevé, pour quelques propriétés choisies. z f w g 1000 = p [dm 3 /m 3 ] ρ z ρ f ρ w ρ g Le rapport eau / ciment nécessaire pour obtenir la résistance à la compression visée du béton peut être estimé sur la base de la résistance à la compression du ciment. L ajout d additions et d adjuvant peut conduire à de nets changements des relations entre le rapport E/C, la résistance à la compression du ciment et la résistance à la compression du béton. La figure montre à l exemple du ciment CEM II/B-M (T-LL) 42,5N (Optimo 4) la relation entre la résistance à la compression sur cube du béton à 28 jours et le rapport E/C. z teneur en ciment [kg/m 3 ] f teneur en addition [kg/m 3 ] w teneur en eau [kg/m 3 ] g teneur en granulat [kg/m 3 ] p volume de pores [dm 3 /m 3 ] ρ z masse volumique du ciment [kg/dm 3 ] ou [l/m 3 ], [mg/l] ρ f masse volumique de l addition [kg/dm 3 ] ou [l/m 3 ], [mg/l] ρ w masse volumique de l eau [kg/dm 3 ] ou [l/m 3 ], [mg/l] ρ g masse volumique du granulat [kg/dm 3 ] ou [l/m 3 ], [mg/l] Eq Ci-après, différents exemples de calculs volumétriques sont donnés. Holcim guide pratique du béton 53

199 2. Béton bases, production et exigences 2.1 Bases de la technologie du béton Etapes de calcul: Calcul volumétrique avec des granulats secs Ciment Granulat Exemple 10: Calcul volumétrique avec des granulats secs en surface Le béton doit satisfaire aux exigences suivantes: classe d exposition XC1 classe de résistance à la compression C20/25 diamètre maximal du granulat D max = 32 mm classe de teneur en chlorures Cl 0.1 classe de consistance F3 Exigence complémentaire: CEM II/B-M (T-LL) 42,5N 1 Détermination de la teneur minimale de ciment spécifiée pour la classe d exposition XC1 (sans prise en compte d additions réactives) C min 280 kg/m 3 2 Détermination du rapport E/C maximal admis pour la classe d exposition XC1 (sans prise en compte d additions réactives), introduire une marge de 0.02 sur le rapport E/C maximal E/C max = Détermination de la résistance à la compression du béton à l aide de la figure : choisir le type de ciment et la classe de résistance du ciment valeur d entrée: rapport E/C max. de l étape 2, valeur de sortie: résistance à la compression sur cube du béton à 28 jours 38 N/mm 2 4 Comparaison de la résistance à la compression minimale de l étape 3 avec la classe de résistance à la compression prescrite C20/25 CEM II/B-M (T-LL) (Optimo 4) Masse volumique [kg/dm 3 ] Proportion [% en masse] Teneur [kg/m 3 ] Volume [l/m 3 ] sable 0/ gravier 4/ gravier 8/ gravier 16/ Teneur totale en granulat 1935 Eau Condition: Résistance à la compression sur cube du béton de l étape 3 classe de résistance à la compression fck, cube + f, avec une marge f = 8 N/mm 2 38 N/mm = 33 N/mm 2, condition satisfaite 6 Calcul de la teneur en eau à partir du rapport E/C corrigé de l étape 2 à l aide de l équation E = = 176 kg/m 3 7 Calcul de la demande en eau du granulat: choix d une courbe granulométrique avec le diamètre max. prescrit D max = 32 mm (voir exemple 2) 8 Calcul du module de finesse k de la courbe granulométrique choisie (voir exemple 2) k = Estimation de la demande en eau du granulat sur la base du module de finesse k et de la classe de consistance F3 (consistance plastique), voir figure W = 170 l/m 3 correspond à 170 kg/m 3 10 Comparaison de la demande en eau du granulat avec la teneur en eau résultat du rapport E/C corrigé de l étape 6 11 Condition: Demande en eau du granulat de l étape 9 teneur en eau résultat du rapport E/C corrigé de l étape 6, sinon emploi d un fluidifiant pour réduire le besoin en eau du granulat 170 kg/m kg/m 3, condition satisfaite 12 Détermination de la teneur en air en fonction de la classe de consistance F3 p = 1.5 % vol. correspond à 15 l/m 3 13 Détermination de la masse volumique des composants: ciment: 3.03 kg/dm 3 granulat: 2.68 kg/dm 3 eau: 1.0 kg/dm 3 14 Détermination du volume du granulat à l aide de l équation Vg = l/m 3 15 Répartition du volume du granulat sur les volumes de chaque classe granulaire: sable 0/4: l/m 3 gravier 4/8: 72.3 l/m 3 gravier 8/16: l/m 3 gravier 16/32: l/m 3 16 Calcul des masses des classes granulaires et la teneur totale du granulat: sable 0/4: 813 kg/m 3 gravier 4/8: 193 kg/m 3 gravier 8/16: 387 kg/m 3 gravier 16/32: 542 kg/m 3 teneur totale: 1935 kg/m 3 17 Calcul de la masse volumique du béton frais: ρ bf = 2391 kg/m 3 Air 15.0 Rapport E/C 0.63 Volume du granulat V g Masse volumique et volume du béton frais Holcim guide pratique du béton

200 Exemple 11: Calcul volumétrique avec des granulats humides Le béton doit satisfaire aux mêmes exigences de l exemple 10. Etapes de calcul: Les étapes 1 à 17 sont identiques à l exemple 1. Maintenant on tient compte de l humidité adsorbée en surface par le granulat. Pour cela il faut procéder aux étapes de calcul supplémentaires 18 à 20. La marge sur le rapport E/C maximal prescrit doit être choisie entre E/C = 0.02 à 0.05 en fonction de la fréquence et la précision de la mesure de l humidité du granulat. Si une marge plus grande que 0.02 est choisie, les étapes de calcul seront adaptées à partir de l étape Détermination de l humidité en surface du granulat. Taux d humidité pour: sable 0/4: 5.0 % en masse gravier 4/8: 3.0 % en masse gravier 8/16: 1.5 % en masse gravier 16/32: 1.0 % en masse somme totale de l humidité: 58 l/m 3 correspond à 58 kg/m 3 19 Augmentation du dosage des classes granulaires en fonction de leur taux d humidité: sable 0/4: = 854 kg/m 3 gravier 4/8: = 199 kg/m 3 gravier 8/16: = 393 kg/m 3 gravier 16/32: = 547 kg/m 3 20 Réduction du dosage en eau en fonction du taux d humidité de surface du granulat E = = 118 kg/m 3 L humidité absorbée, en général entre 8 15 l/m 3 n est pas considérée dans le calcul volumétrique, puisque son volume est contenu dans celui du granulat. Il en est tenu compte seulement lors de la détermination du rapport E/C par séchage du béton frais (voir chapitre 3.3.4). Calcul volumétrique avec des granulats humides Masse volumique [kg/dm 3 ] Proportion [% en masse] Teneur [kg/m 3 ] Volume [l/m 3 ] Humidité du granulat [% en masse] Teneur en eau [kg/m 3 ] Dosage du granulat humide [kg/m 3 ] Dosage résiduel de l eau [kg/m 3 ] Ciment CEMII/B-M (T-LL) (Optimo 4) sable 0/ Granulat gravier 4/ gravier 8/ gravier 16/ Teneur totale en granulat Teneur en eau totale provenant du granulat 58 Eau Air 15.0 Rapport E/C 0.63 Volume du granulat V g Masse volumique et volume du béton frais Holcim guide pratique du béton 55

201 2. Béton bases, production et exigences 2.1 Bases de la technologie du béton Exemple 12: Calcul volumétrique avec des granulats humides et en employant de l eau recyclée Le béton doit satisfaire aux mêmes exigences de l exemple 10. Etapes de calcul: Les étapes 1 à 13 sont identiques à l exemple 1. Maintenant l eau de gâchage est remplacée par l eau recyclée ayant une masse volumique de 1.07 kg/l (étapes 14 et 15). Ensuite, on procède aux étapes 16 à 22, en suivant les étapes 16 à 19 de l exemple Détermination du volume de l eau recyclée sur la base de la teneur totale en eau 176 kg/m kg/dm 3 = l/m 3 15 Détermination du volume du granulat en tenant compte de l augmentation du volume de l eau à cause de l emploi de l eau recyclée à l aide de l équation V g = l/m Procéder aux étapes comme dans l exemple Calcul des matières solides à partir du volume et de la masse volumique de l eau recyclée selon l équation W fl = [(1 1.07) / (1 2.1)] 2.1 = l/m kg/dm 3 = kg/m 3 La quantité d eau à doser est pour un granulat sec: 176 kg/m kg/m 3 = 201 kg/m 3 21 Réduction du dosage en eau en fonction du taux d humidité de surface du granulat E = = 145 kg/m 3 22 Réduction de la teneur en classe granulaire sable 0/4 par la quantité de matière solide: g sable = = kg/m 3. Les déviations du calcul volumétrique, résultant dans cet exemple de la correction des fines par la réduction ultérieure de la teneur en sable, sont en général négligeables. Calcul volumétrique avec des granulats humides et de l eau recyclée Masse Proporvolumique tion [% en [kg/dm 3 ] masse] Teneur [kg/m 3 ] Volume [l/m 3 ] Humidité du granulat [% en masse] Teneur en eau [l/m 3 ] Dosage du granulat humide [kg/m 3 ] Correction du sable en fct. de l eau recyclée [kg/m 3 ] Dosage résiduel de l eau [kg/m 3 ] Ciment CEMII/B-M (T-LL) (Optimo 4) sable 0/ Granulat gravier 4/ gravier 8/ gravier 16/ Teneur totale en granulat Teneur en eau totale provenant du granulat 56 Quantité d eau de gâchage initiale Quantité d eau recyclée Air 15.0 Rapport E/C 0.63 Volume du granulat V g Masse volumique et volume du béton frais L eau absorbée par le granulat n est pas considérée, puisqu elle se trouve à l intérieur du granulat Les déviations du calcul volumétrique, résultant dans cet exemple de la correction des fines par la réduction ultérieure de la teneur en sable, sont en général négligeables. 56 Holcim guide pratique du béton

202 Exemple 13: Calcul volumétrique avec des granulats secs et des cendres volantes Le béton doit satisfaire aux mêmes exigences de l exemple 10. Une partie du ciment est substituée par des cendres volantes (concept du coefficient k). L eau de gâchage est de l eau potable. Etapes de calcul: L étape 1 est subdivisée en quatre sous-étapes. Des étapes 6 et 11 à 14 sont modifiées par rapport à l exemple 10. Calcul volumétrique avec des granulats secs et des additions Ciment CEMII/B-M (T-LL) (Optimo 4) Masse volumique [kg/dm 3 ] Proportion [% en masse] Teneur [kg/m 3 ] Volume [l/m 3 ] Addition cendre volante Granulat sable 0/ gravier 4/ gravier 8/ a 1b 1c Calcul de la teneur minimale de ciment spécifiée pour la classe d exposition XC1 (avec prise en compte d additions réactives) voir exemple 4 C min,cv 248 kg/m 3 Calcul de la quantité maximale de cendres volantes (voir exemple 6) max. CV = 70 kg/m 3 Calcul de quantité de cendres volantes maximale à prendre en compte (voir exemple 6) max. CV prise en compte = 28 kg/m 3 gravier 16/ Teneur totale en granulat 1871 Eau Air 15 Rapport E/C éq 0.63 Volume du granulat V g 698 Masse volumique et volume du béton frais d Calcul de la teneur en ciment équivalent C éq (voir exemple 7) C éq = = 276 kg/m 3 2 Le rapport E/C équivalent maximal admis pour la classe d exposition XC1 doit être réduit par la marge de 0.02 (comme pour le rapport E/C max. sans cendres volantes): max. E/C éq = = Procéder aux étapes 3 5 comme dans l exemple 10 6 Calcul de la teneur en eau à partir du rapport E/C éq maximal corrigé de l étape 2 et de la teneur en ciment équivalent C éq de l étape 1d E = = 174 kg/m Procéder aux étapes 7 10 comme dans l exemple Condition: Demande en eau du granulat de l étape 9 teneur en eau résultat du rapport E/C corrigé de l étape 6, sinon emploi d un fluidifiant pour réduire le besoin en eau du granulat 170 kg/m kg/m 3, condition satisfaite Procéder aux étapes comme dans l exemple 10. Masse volumique de la cendre volante: 2.24 kg/dm 3 14 Détermination du volume du granulat à l aide de l équation Vg = 728 l/m Procéder aux étapes comme dans l exemple 10 Fig : Transport par bateau des cendres volantes. Holcim guide pratique du béton 57

203 2. Béton bases, production et exigences 2. Béton bases, production et exigences 2.2 Production de béton 2.2 Production de béton Introduction Les bétons peuvent être classés selon le lieu de production et le lieu d utilisation. Le béton prêt à l emploi est un béton à l état frais, livré par un fournisseur qui n est pas l entreprise. Le béton prêt à l emploi est soit un béton confectionné hors du chantier par l utilisateur soit un béton confectionné sur le chantier par une personne autre que l utilisateur. Il est confectionné à la centrale à béton, transporté sur le chantier dans des véhicules appropriés où il est délivré prêt à l emploi. En Suisse, le béton prêt à l emploi représente plus de 80 % du volume de béton produit par an. La figure présente de façon schématique la confection du béton dans une centrale à béton. Les granulats arrivent à la centrale à bétons par train, poids lourd ou bateau et sont stockés, séparément par classes granulaires, en plein air ou dans des silos. Les ciments ainsi que les additions sont stockés en silos et les adjuvants liquides dans des cuves. L eau est prise sur le réseau public d alimentation et peut être complétée avec de l eau recyclée. Les différents constituants sont dosés à l aide d un dispositif de pesée avant d être versés dans le malaxeur. Un ordinateur pilote le processus de dosage permettant de mélanger les différents constituants conformément à la formulation. La capacité du malaxeur peut atteindre jusqu à 3 m 3. Après un malaxage minutieux respectant les temps prescrits pour le malaxage à sec et le malaxage humide, le béton frais est versé directement dans le véhicule de transport et acheminé vers le lieu d utilisation. Fig : Représentation schématique de la confection du béton dans une centrale à béton. 1 Transport Les granulats (sable et gravier) sont transportés jusqu à la centrale par rail, route ou voie navigable. 2 Stockage intermédiaire Les différentes classes granulaires (du sable jusqu au gravier grossier) sont stockées séparément. 3 Bande transporteuse Les granulats sont amenés dans des silos par bande transporteuse. 4 Silos à ciments La gamme des ciments stockés permet d attribuer à chaque béton le liant approprié. 5 Silos à granulats Chaque classe granulaire est stockée séparément dans un silo surplombant le malaxeur. 6 Malaxeur Les différents composants du béton gagnent le malaxeur dans l ordre prescrit, pour y être mélangés. 7 Eau et adjuvants Ils sont introduits dans le malaxeur par des conduites. 8 Logistique Transporté par camion malaxeur, le béton arrive à l heure fixée sur le chantier Holcim guide pratique du béton

204 Les avantages du béton prêt à l emploi sont les suivants: il n est pas nécessaire d installer une centrale à béton sur le chantier une qualité du béton élevée et constante un réseau dense de centrales à béton permet d éviter aux camions-malaxeurs de longs trajets, et donc de livrer d importantes quantités de béton le surplus de béton non utilisé sur le chantier est récupéré dans des installations de recyclage de béton frais et réintroduit dans le flux des matières. Le béton de chantier est un béton qui est confectionné directement sur le chantier dans une installation mobile certifiée. En Suisse, ce n est le cas que pour les chantiers ayant une demande importante en béton ou lorsque le trajet de la plus proche centrale est trop long. Une installation de chantier demande beaucoup de place pour les silos et le malaxeur, mais permet une production flexible en fonction de la demande. Les centrales à béton utilisant régulièrement les mêmes formulations de béton frais consignent celles-ci, en général, dans une liste de sortes de béton Assurance de la qualité L assurance de la qualité du béton dans une centrale à béton comprend des éléments essentiels suivants: contrôle de la production par le producteur (autocontrôle) surveillance du contrôle de la production par un organisme d inspection approuvé certification de la conformité par un organisme de certification notifié Contrôle de la production par le producteur Les exigences en matière de contrôle de la production sont décrites dans la norme SN EN Le producteur doit constituer un manuel du contrôle de la production dont il vérifie l efficacité tous les deux ans. Le contrôle de la conformité fait partie du contrôle de la production par le producteur. Dans le cadre du contrôle de la conformité, il est vérifié si le béton correspond aux exigences de la norme SN EN Le contrôle de conformité se déroule selon un plan déterminé d échantillonnages et d essais. La norme SN EN définit les méthodes d essais et fréquences de contrôles ainsi que les critères d évaluation. Les producteurs de béton qui ne sont pas certifiés selon l annexe C de la norme SN EN n ont pas le droit de livrer du béton selon cette norme. Le contrôle de conformité couvre les paramètres suivants: constituants du béton équipement de production propriétés du béton frais consistance masse volumique rapport E/C teneur en air teneur en ciment teneur en chlorures propriétés du béton durci résistance à la compression perméabilité à l eau résistance à la carbonatation résistance aux chlorures résistance au gel et aux sels de déverglaçage Le contrôle doit couvrir la production, le transport ainsi que le lieu de livraison et la livraison elle-même. La conformité ou la non-conformité est évaluée sur la base de critères précis. La non-conformité peut entraîner des mesures à la centrale ou sur le chantier. Essais initiaux Les essais initiaux doivent être effectués avant l utilisation d un béton ou d une famille de bétons et ont pour but de vérifier si la formulation permet d obtenir les propriétés visées de béton frais et durci. En cas de modifications majeures des constituants ou des exigences, il faut procéder à nouveau aux essais initiaux. Dans le cas où l on dispose d une expérience à long terme ou d autres valeurs empiriques et résultats d essais, il est possible de renoncer aux essais initiaux. Dans ces cas-là, la norme SN EN exige une des preuves suivantes, sur la base de: a) bétons ou familles de bétons similaires, produits depuis au moins 3 ans ou d un volume de production de 3000 m 3. La similitude doit être prouvée et documentée. b) interpolations de compositions de béton déjà produites avec un ciment et des additions identiques c) extrapolations de la résistance à la compression n excédant pas 5 N/mm 2. d) essais initiaux d autres bétons qui couvrent toute la plage de variation du nouveau béton, mais qui ne doit pas dépasser les limites suivantes: ciment: ±15 kg/m 3 additions cendres volantes et Hydrolith F200: ±15 kg/m 3 adjuvants: entre 0 et dosage maximal admis Holcim guide pratique du béton 59

205 2. Béton bases, production et exigences 2.2 Production de béton En cas de justifications selon b) ou c), les propriétés de durabilité des sortes de béton C G sont à contrôler ponctuellement. Lors de la réalisation des essais initiaux, les conditions suivantes sont à respecter: une température du béton frais entre C au moins trois gâchées différentes pour une sorte de béton individuelle, dont on prélève à chaque fois trois éprouvettes au moins trois éprouvettes par autant de gâchées nécessaires pour couvrir la gamme de composition d une famille de bétons. résultat de la résistance à la compression d un essai initial: valeur moyenne de toutes les valeurs moyennes des trois éprouvettes de toutes les gâchées. la marge recommandée pour la résistance à la compression correspond au double de l écart-type attendu, c.-à-d. environ 6 12 N/mm 2. La manière de procéder et la marge appropriée lors des essais initiaux des autres propriétés du béton sont à fixer par le producteur. Familles de bétons Afin d alléger les contrôles, il est permis de regrouper les différentes sortes de bétons en familles de bétons. Le producteur doit faire la preuve des relations établies par les propriétés entre les différentes sortes de bétons. Le producteur doit répartir l échantillonnage sur tous les bétons appartenant à une même famille de telle manière à ce que chaque sorte de béton soit contrôlée au moins une fois par période d évaluation. Le béton produit le plus souvent ou un béton choisi au milieu de la gamme des bétons de la famille est considéré comme béton de référence. En ce qui concerne la résistance à la compression, afin de prouver qu une sorte de béton appartient à une famille de bétons, les résultats d essai de la résistance à la compression des différentes sortes de bétons sont transposés et comparés à la résistance à la compression caractéristique du béton de référence. La transposition se base sur les écarts des résultats d essais individuels de la valeur cible, définis par le producteur et la résistance à la compression d une sorte de béton. En ce qui concerne les propriétés de durabilité, le producteur peut se référer pour la constitution des familles de béton aux conditions définies par la norme SN EN (tab ). De cette manière, les bétons de différentes classes de résistance à la compression peuvent être réunis dans une famille de bétons, p. ex. C20/25, C25/30, C30/37. Les sortes de bétons des familles FB 1 à FB 3 peuvent être combinées avec celles des familles FB 4 ou FB 5, à condition que tous les bétons d une combinaison aient le même rapport E/C. Systèmes d évaluation de conformité statistique Un des contrôles de conformité concerne la résistance à la compression. On admet que l écart type du processus de la production est constant et qu il peut constituer la base d évaluation des résultats d essais ponctuels. La fréquence des essais est plus grande durant une première phase (production initiale) que durant la phase suivante (production continue). Cette dernière est atteinte dès que 35 résultats d essai sont obtenus et l écart-type calculé sur les derniers 15 résultats d essai ne dépasse pas d un facteur de 1.37 l écart-type de l ensemble des 35 résultats d essais. L écart-type applicable doit être estimé pour chacune des périodes d évaluation suivantes de la production continue. Pour les autres propriétés du béton, le contrôle de conformité se base sur une autre méthode statistique (par attribut). Une sorte de béton remplit les exigences, si les résultats d essai se situent au sein des tolérances applicables à une valeur cible ou des valeurs limites d une classe spécifiée. Un certain nombre de résultats d essai peut se situer en dehors de ces limites, mais doivent toujours rester à l intérieur de ce qu on appelle les écarts maximum admissibles (tolérance). Le nombre acceptable de résultats déviants augmente avec le nombre d essais et est défini par la norme SN EN Pour les mesures de consistance, les nombres acceptables diffèrent de ceux valables pour les autres propriétés du béton frais et durci. Pour ces derniers, un seul résultat d essai peut tomber dans le domaine des écarts maximum admissibles à partir de 13 résultats. Par contre, pour les mesures de consistance, un résultat au sein des écarts maximum admissibles est déjà permis à partir de 3 essais. Tab : Exigences pour la constitution des familles de bétons selon la norme SN EN Essais Familles de bétons (FB) Perméabilité à l eau 1 Exigences pour la constitution des familles de bétons Type de ciment Rapport E/C Ajout d un entraîneur d air (LP) 0.60 Résistance à la carbonatation non non Résistance aux chlorures 3 néant (tous les 0.45 non types de ciment Résistance au gel/dégel en présence de sels de déverglaçage 4 admis) 0.50 non Résistance au gel/dégel en présence de sels de déverglaçage oui 60 Holcim guide pratique du béton

206 Evaluation de la conformité pour une classe de propriété spécifiée application: consistance, masse volumique de béton léger non conforme limite de conformité écart maximum admissible 1) limite inférieure classe limite supérieure écart maximum admissible 1) limite de conformité non conforme Fig : Evaluation de conformité selon la méthode par attribut pour toutes les propriétés de béton sauf la résistance à la compression et la résistance à la traction par fendage. Exemple: classe de consistance, indice de serrage C Evaluation de la conformité pour une valeur cible application: consistance, masse volumique de béton léger limite de conformité limite inférieure valeur cible limite supérieure limite de conformité non conforme écart maximum admissible 1) tolérance tolérance écart maximum admissible 1) non conforme Exemple: masse volumique du béton léger 1850kg/m 3 30kg/m 3 100kg/m kg/m kg/m kg/m kg/m kg/m kg/m kg/m 3 Evaluation de la conformité pour une propriété avec une valeur limite inférieure et une tolérance, définissant la valeur limite supérieure applicablation: teneur en air limite de conformité valeur limite inférieure limite supérieure limite de conformité non conforme écart maximum admissible 1) tolérance écart maximum admissible 1) non conforme Exemple: teneur en air, valeur limite inférieure 2.0% vol. 0.5% vol % vol % vol. 1.5% vol. 2.0% vol. 6.0% vol. 7.0% vol. 1) Un certain nombre de résultats d essai peut se situer au sein des écarts maximum admissibles. Holcim guide pratique du béton 61

207 2. Béton bases, production et exigences 2.2 Production de béton Evaluation de la conformité pour une propriété avec une valeur limite supérieure: application: résistance aux chlorures, résistance au gel avec sels de déverglaçage, résistance à la carbonatation, perméabilité à l eau, rapport E/C valeur limite supérieure limite de conformité sans limitation écart maximum admissible 1) non conforme Exemple: résistance aux chlorures D CI m 2 /s m 2 /s m 2 /s Exemple: rapport E/C Evaluation de la conformité pour une propriété avec une valeur limite supérieure application: teneur en ciment, masse volumique du béton lourd limite de conformité valeur limite supérieure non conforme écart maximum admissible 1) tolérance sans limitation Exemple: masse volumique du béton lourd valeur limite inférieure de 2700kg/m 3 30 kg/m 3 100kg/m kg/m kg/m kg/m 3 1) Un certain nombre de résultats d essai peut se situer au sein des écarts maximum admissibles. Les résultats d essais en dehors des écarts maximum admissibles sont considérés comme non-conformes. Dans ce cas, la sorte de béton ne satisfait pas les exigences de la norme (fig ). Par exemple, parmi cinq contrôles de la classe de consistance C2, deux résultats d essai peuvent se trouver entre 1.25 et 1.28, respectivement 1.06 et Les valeurs de mesure supérieures à 1.28 et inférieures à 1.06 ne sont pas conformes. Concernant la résistance aux chlorures, à partir de 20 essais, seulement deux résultats d essais peuvent dépasser la valeur limite de m 2 /s, mais ils doivent demeurer en-dessous de m 2 /s pour que la sorte de béton soit conforme. Mesures en cas de non-conformité Le producteur doit contrôler chaque résultat d essai en dehors des écarts maximum admissibles ou dépassant le nombre acceptable de résultats d essai au sein des écarts maximum admissibles. S il est confirmé qu un béton non conforme a été livré par erreur, le producteur doit entreprendre toutes les mesures conséquentes à la centrale à béton et en avertir l entrepreneur et l auteur du projet. Selon la situation, des contrôles à l aide de carottes prélevées sur l ouvrage sont nécessaires pour permettre une évaluation de l étendue de la non-conformité. 62 Holcim guide pratique du béton

208 2.3 Exigences normatives relatives au béton Introduction Les exigences normatives concernant le béton sont exposées dans la norme SN EN Le béton peut être spécifié soit comme béton à propriétés spécifiées (béton à performances spécifiées) soit comme béton à composition prescrite. En fonction de la spécification, les responsabilités des parties impliquées diffèrent (tab ). Dans le cas du béton à propriétés spécifiées, la centrale à béton se porte garante du respect des exigences de performance et fournit les preuves de conformité requises dans le cadre de son contrôle de la production (voir chapitre 2.2.2). Ces preuves de conformité couvrent la production de béton de la centrale, mais ne sont pas représentatives de la qualité du béton obtenue dans l ouvrage. De ce fait, le plan de contrôle de l entreprise de construction peut prévoir, sur la base du programme de contrôle de l auteur du projet, d autres contrôles du béton frais et durci sur des cubes ou des échantillons de l ouvrage. Dans le cas du béton à composition prescrite, il incombe à l auteur (planificateur ou entreprise de construction) de vérifier que la spécification répond aux exigences générales de la norme SN EN et que la composition prescrite permet d obtenir les performances recherchées. Les justificatifs s y rapportant sont à la charge de l auteur du projet. Pour le béton à composition prescrite, il n est pas nécessaire que la centrale à béton procède à des essais initiaux. La preuve de la conformité porte uniquement sur le respect de la composition prescrite Béton à propriétés spécifiées Le béton peut être commandé auprès de la centrale à béton (le producteur) à l aide d un certain nombre de performances caractéristiques; il s agit alors du béton à propriétés spécifiées. Dans la pratique, c est le procédé de prescription habituel (aussi recommandé dans les normes SN EN et SIA 262). La prescription d un béton à propriétés spécifiées comprend toutes les exigences essentielles concernant le béton frais et le béton durci. Ainsi, l auteur de la spécification définit: les exigences de base les exigences complémentaires le cas échéant Auteur de la spécification Béton à propriétés spécifiées (chapitre 2.3.2) Spécification des propriétés Béton à composition prescrite (chapitre 2.3.3) Spécification de la composition et des propriétés attendues Essai initial Tab : Répartition des responsabilités pour le béton à propriétés spécifiées et le béton à composition prescrite. Auteur de la commande Commande de béton à propriétés spécifiées Commande de béton à composition prescrite Formulation du béton Centrale à béton Essais initiaux Preuve de la conformité des propriétés Preuve de la conformité de la composition Entrepreneur Contrôle de réception (visuel, bon de livraison), mise en place sans ségrégation, compactage complet, exécution de la cure Contrôle de réception (visuel, bon de livraison), mise en place sans ségrégation, compactage complet, exécution de la cure Maître d ouvrage, auteur du projet Contrôles (certificat de conformité de la centrale, prélèvements selon le plan de contrôle) Preuve de la conformité des propriétés Holcim guide pratique du béton 63

209 2. Béton bases, production et exigences 2.3 Exigences normatives relatives au béton Exigences de base Les exigences de base selon la norme SN EN comprennent la classe de résistance à la compression, la classe d exposition, la dimension nominale maximale du granulat, la classe de teneur en chlorures et la classe de consistance (fig ). Pour le béton léger, il faut en plus spécifier la classe de masse volumique ou une valeur cible de la masse volumique. Pour le béton lourd une valeur cible de la masse volumique doit être prescrite. Référence à la norme SN EN La référence à la norme SN EN garantit à l utilisateur du béton que les exigences fondamentales concernant les propriétés, la production et la conformité sont respectées. Les éléments nationaux de la norme SN EN impliquent des différences et des compléments par rapport aux réglementations dans les autres pays européens. En outre, les réglementations de la norme SN EN peuvent diverger d autres normes européennes et nationales (p. ex. éléments préfabriqués, béton projeté, revêtements routiers) de sorte qu il peut s avérer nécessaire de définir une hiérarchie pour les règlementations contradictoires. Classe de résistance à la compression Le béton est réparti en différentes classes de résistance à la compression en fonction de sa résistance caractéristique minimale (voir chapitre 3.8.1). On distingue entre les classes de résistance à la compression, le béton normal et le béton lourd, d une part, et le béton léger, d autre part (tab ). Afin de tenir compte des différentes méthodes d essais pratiquées en Europe, la résistance caractéristique minimale est indiquée pour chaque classe de résistance à la compression sur cylindres et sur cubes. En Suisse, Fig : Exigences de base de la prescription du béton à propriétés spécifiées. C25/30 Béton selon SN EN XC4, XF1 D max = 32 Cl 0.20 C3 Classe de résistance à la compression Classe(s) d exposition Dimension maximale du granulat Classe de teneur en chlorures Classe de consistance Tab : Classes de résistance à la compression pour le béton normal et lourd (à gauche) ainsi que léger (à droite) selon la norme SN EN classe de résistance à la compression C8/10 C12/15 Béton normal et lourd résistance caractéristique minimale 1) 2) 3) sur cylindre f ck, cyl [N/mm 2 ] 8 12 résistance caractéristique minimale 1) 2) 4) sur cube f ck, cube [N/mm 2 ] classe de résistance à la compression LC8/9 LC12/13 Béton léger résistance caractéristique minimale 1) 2) 3) sur cylindre f ck, cyl [N/mm 2 ] 8 12 résistance caractéristique minimale 1) 2) 4) sur cube f ck, cube [N/mm 2 ] 9 13 Les classes de résistance à la compression les plus courantes sont indiquées en lettres grasses. C16/20 C20/ LC16/18 LC20/ C25/30 C30/37 C35/45 C40/50 C45/55 C50/60 C55/67 C60/75 C70/85 C80/95 C90/105 C100/ LC25/28 LC30/33 LC35/38 LC40/44 LC45/50 LC50/55 LC55/60 LC60/66 LC70/77 LC80/ ) compte tenu d un fractile 5 %. 2) conservation des éprouvettes sous l eau, âge d essai 28 jours. 3) cylindre: 150 mm, h = 300 mm. 4) cube: longueur d arête 150 mm. 64 Holcim guide pratique du béton

210 CO 2 (carbonatation) Sels de déverglaçage (chlorures) XC1 XC4 XD1 XD3 Attaque de lʼarmature Gel et sel de déverglaçage Agents chimiques XF1 XF4 XA1 XA3 Attaque du béton Fig : Classes d exposition selon SN EN il est recommandé de déterminer la résistance à la compression caractéristique sur des cubes d une arête de 150 mm. Pour d autres dimensions de cube, par exemple en cas de bétons avec une dimension maximale du granulat > 32 mm, il faut convertir les valeurs de la résistance à la compression. Le mode de conversion doit être convenu. Classe d exposition Pour spécifier les exigences de durabilité on dispose, selon la norme SN EN 206-1, de cinq types de classes d exposition qui sont à leur tour subdivisées en trois-quatre classes. La classe d exposition définit le degré d attaque d origine environnementale auquel sont exposés le béton et les armatures sans tenir compte des effets de charges. Selon la norme SIA 206-1, les désignations des classes d exposition doivent être suivies d une abréviation du pays, (p. ex. XC4(CH) pour la Suisse). Dans ce guide pratique du béton, on renonce à cette indication nationale pour une meilleure lisibilité. Etant donné que la Suisse est un pays continental, les actions induites par les chlorures de l eau de mer sont négligées et on n utilise que les classes d exposition suivantes: Actions provoquant une corrosion de l armature: Classe d exposition XC1 à XC4 (C pour carbonation): carbonatation Classe d exposition XD1 à XD3 (D pour deicing): chlorures provenant d agents de déverglaçage Actions provoquant une attaque du béton: Classe d exposition XF1 à XF4 (F pour freezing): gel avec/sans agents de déverglaçage Classe d exposition XA1 à XA3 (A pour chemical attack): attaque chimique En Suisse, la classe d exposition XD2 est divisée en deux sous-classes (a et b) en fonction de la teneur en chlorures, puisqu il n existe pas d exemple d application pratique pour cette classe. Les exigences de la classe d exposition XD2a correspondent à celle de la classe d exposition XD1 et celles de la classe d exposition XD2b à celles de la classe d exposition XD3. Classe d exposition XD2a avec une teneur en chlorures 0.5 g/l («eau douce», p. ex. pour les piscines ordinaires) Classe d exposition XD2b avec une teneur en chlorures > 0.5 g/l («eau salée», teneurs en chlorures élevées temporairement ou permanentes, p. ex. bains d eau salée). La classe d exposition XM (M pour mechanical abrasion) pour la sollicitation par l usure n existe pas en Suisse, contrairement à l Allemagne et à l Autriche. Les exigences en matière d usure sont à prescrire parmi les exigences complémentaires en tant que résistance à l abrasion. Les différentes classes d exposition avec leurs différents degrés d attaque sont présentées au tableau Toutes les classes d exposition auxquelles un élément d ouvrage est exposé doivent être spécifiées pour le béton. Les différentes faces d un élément donné (p. ex. faces avant et arrière) peuvent être soumises à des attaques environnementales de nature différente. Souvent, un élément d ouvrage relève de plusieurs classes d exposition. L auteur de la spécification devra définir une combinaison desdites classes. Pour un élément d ouvrage, c est toutefois le plus haut degré d attaque au sein d une classe d exposition ou la classe d exposition avec les plus hautes exigences relatives au béton qui est déterminant. La classe d exposition X0 (aucun risque d attaque ou de corrosion) s applique soit aux bétons sans armature ou pièces métalliques noyées qui ne sont ni exposés au gel ni à une attaque chimique, ou soit aux bétons armés dans des conditions très sèches à l intérieur des bâtiments. Holcim guide pratique du béton 65

211 2. Béton bases, production et exigences 2.3 Exigences normatives relatives au béton Action sur Classe Environnement Exemples d application Aucun risque d attaque X0 béton non armé ou sans incorporation métallique, situé dans un environnement non agressif, fondations non armées à l abri du gel, éléments intérieurs non armés dans des conditions très sèches. Corrosion de l armature dans le béton carbonaté L armature XC1 sec ou humide en permanence XC2 humide, rarement sec fondations XC3 XC4 humidité modérée alternativement sec et humide Corrosion de l armature induite par les chlorures béton armé à l intérieur d un bâtiment sous faible humidité de l air, éléments immergés en permanence dans l eau béton extérieur abrité de la pluie; halles ouvertes, locaux humides béton extérieur exposé aux intempéries; pylônes, balcons, éléments de façade, parements XD1 humidité modérée surfaces exposées au brouillard salin au voisinage d une chaussée XD2a XD2b XD3 mouillé, rarement sec teneur en chlorures 0.5 g/l («eau douce») mouillé, rarement sec teneur en chlorures > 0.5 g/l («eau salée») alternativement sec et humide piscines d eau douce piscines d eau salée, éléments au contact d eaux industrielles éléments de pont, dalles de parking, murs de soutènement exposés à des projections d eau chargée de chlorures Dommages dus au gel avec ou sans sels de déverglaçage XF1 XF2 XF3 XF4 saturation modérée en eau sans sels de déverglaçage saturation modérée en eau avec sels de déverglaçage forte saturation en eau sans sels de déverglaçage forte saturation en eau avec sels de déverglaçage surfaces verticales exposées à la pluie et au gel surfaces verticales exposées au gel et au brouillard salin surfaces horizontales exposées à la pluie et au gel (sans sels de déverglaçage) surfaces exposées au gel et aux sels (projection directe ou brouillard salin); giratoires, arrêts de bus, bordures de pont Le béton Dommages dus à l agressivité chimique de l environnement Exposition aux attaques sulfates dans les eaux souterraines ou dans le sol XA1 XA2 faible agressivité agressivité modérée XA3 forte agressivité a) éléments en contact avec le terrain; fondations, tunnels, pieux Exposition à d autres types d agressions chimiques (pas couverte par la norme SN EN 206-1) XA1 faible agressivité fosses à lisier, bassins de décantation de STEP XA2 agressivité modérée bassins biologiques (nitrification/dénitrification) de STEP, réservoirs contenant de l eau de faible dureté, piscine (traitement chimique) XA3 forte agressivité a) tours de refroidissement, centrales à biogaz, silos à fourrage, canalisations d eaux usées (sulfureuses) a) examen par des spécialistes de la nécessité de mesures de protection supplémentaires. Tab : Classes d exposition avec leurs différents degrés d attaque. 66 Holcim guide pratique du béton

212 armé, à lʼintérieur, au sec Fig : Classes d exposition à l exemple d un schéma de base pour le bâtiment. armé, humidité modérée, gel armé, à lʼextérieur, gel à lʼintérieur armé, alternativement humide et sec, gel X0 XC1, XC2 XC4, XF1 ou XC4, XF1, XA1 XC4, XF1, XA1 armé, alternativement humide et sec, gel à lʼntérieur mur étanche, faible attaque chimique eau armé, humide, rarement sec fondation non armée fondation armée fondation armée surface dalle du pont caisson à lʼintérieur XC1, XC3, XF1 XC2, XC4, XD1, XF1 XC2, XC4, XD3, XF2, XF4 XC2, XC4, XD3, XF4 XA1, XA2, XA3 Fig : Classes d exposition à l exemple d un schéma de base pour le génie civil. pile fondation armée Holcim guide pratique du béton 67

213 2. Béton bases, production et exigences 2.3 Exigences normatives relatives au béton Dimension maximale du granulat D max Pour compléter la spécification du béton, il faut prescrire la dimension maximale du granulat. Elle doit être choisie en fonction de ce que la mise en œuvre, l armature et les dimensions de l élément autorisent ou exigent. Il faut également prendre en compte les questions de sécurité structurale car la résistance à l effort tranchant et au poinçonnement diminue avec la réduction de la dimension maximale du granulat. En général, la dimension maximale du granulat est de 32 mm. Il est possible de la limiter à 16 mm respectivement 8 mm dans des éléments à forte densité d armature ou à petite section. La teneur minimale en ciment doit être adaptée à la dimension maximale du granulat (tab ). Classe de consistance Le choix de la consistance appropriée est important pour la mise en œuvre du béton. En fonction des méthodes de mesure de la consistance (étalement, indice de serrage d après Walz, affaissement), les plages de mesure ont été divisées en classes de consistance (tab ). Les méthodes de mesure de la consistance habituellement pratiquées en Suisse sont détaillées au chapitre Les classes de consistance ne s appliquent pas au béton à consistance de terre humide qui est habituellement seulement damé. Dans certains cas particuliers, la consistance peut également être spécifiée par une valeur cible. Tab : Dosages minimaux en ciment en fonction de la dimension maximale des grains du granulat du béton selon la norme SN EN Correction en % des dosages minimaux en ciment Dimension maximale du granulat [mm] % +10 % +5 % 0 5 % 10 % Classe de teneur en chlorures La teneur en chlorures de la composition du béton doit être limitée, indépendamment d un apport externe de chlorures pour des bétons armés ou précontraints à cause du risque de corrosion induite par les chlorures. Elle est calculée sur la base des teneurs en chlorures des constituants et rapportée à la masse des liants. À cet effet, on peut partir d une teneur maximale autorisée ou d une teneur indiquée par le producteur. Pour les granulats naturels d origine suisse, on peut utiliser une teneur en chlorures < 0.01 % en masse selon la norme SN EN En revanche, dans le cas de granulats recyclés, il faut analyser la teneur en chlorures. Pour les ciments, on peut tabler en règle générale sur une teneur en chlorures de 0.05 % en masse. D une manière générale, on peut partir du principe que pour les bétons normaux suisses, la plus haute classe d exigence, à savoir celle pour le béton précontraint, est respectée. Fig : Compactage du béton (consistance plastique-ferme) à l aide d une aiguille vibrante. Tab : Classes de teneur en chlorures. Utilisation du béton Classe de teneur en chlorures Teneur maximale en chlorures rapportée à la masse de ciment Sans armature en acier ou autres pièces métalliques noyées (à l exception des pièces de levage résistant à la corrosion) Cl % en masse Avec armature en acier ou autres pièces métalliques noyées Cl % en masse Avec armature de précontrainte en acier Cl % en masse 68 Holcim guide pratique du béton

214 Etalement Indice de serrage Affaissement Etalement au cône d Abrams (béton autoplaçant, BAP) Classe Valeur [mm] Classe Valeur [-] Classe Valeur [mm] Classe Valeur [mm] Aptitude à l écoulement, essai à la boîte en L (uniquement BAP) Classe Valeur [-] Qualification de la consistance par Holcim Tab : Classes de consistance selon SN EN et qualification de la consistance par Holcim. C0* > 1.46 terre humide F1* 340 C S raide F C S ferme F C S plastique F C4** < 1.04 S molle / très plastique F S5* 220 fluide F6* 630 SF très fluide SF PL1 SF PL avec 2 barres d armature 0.80 avec 3 barres d armature très fluide et autoplaçant * non recommandé en raison du manque de sensibilité de la méthode d essai. ** uniquement pour le béton léger. Il n existe pas de corrélation directe entre les classes de consistance, toutefois la pratique a démontré une proche équivalence. Classes de masse volumique En fonction de sa masse volumique après séchage à l étuve, le béton est classé en béton normal, béton léger ou béton lourd: béton léger: 800 kg/m 3 masse volumique 2000 kg/m 3 béton normal: 2000 kg/m 3 < masse volumique 2600 kg/m 3 béton lourd: masse volumique: > 2600 kg/m 3 Le béton léger est habituellement réparti en classes de masse volumique (tab ), mais la masse volumique du béton léger ou lourd peut être également spécifiée par une valeur cible. Classe de masse volumique D1.0 D1.2 D1.4 D1.6 D1.8 D2.0 Plage de masse volumique [kg/m 3 ] 800 à 1000 > 1000 à 1200 > 1200 à 1400 > 1400 à 1600 > 1600 à 1800 > 1800 à 2000 Tab : Classification du béton léger selon la masse volumique (séché à l étuve). Holcim guide pratique du béton 69

215 2. Béton bases, production et exigences 2.3 Exigences normatives relatives au béton Exigences complémentaires Le prescripteur est en droit de spécifier d autres exigences allant au-delà des exigences de base. Pour chaque propriété, il faut cependant indiquer les essais s y rapportant (méthode d essai, type des échantillons et nombre d essais) ainsi que les valeurs limites respectives. types ou classes particulières de ciment catégories particulières de granulats résistance au gel/dégel en présence de sels de déverglaçage température du béton frais développement de la résistance développement de chaleur durant l hydratation prise retardée résistance à la pénétration de liquides et de matières nocives résistance à l attaque par action dissolvante résistance à la pénétration d eau résistance à l abrasion résistance à la traction par fendage type et teneur en fibres résistance à la RAG résistance aux sulfates autres aspects, p. ex. texture de la surface ou procédé de mise en œuvre Pour déterminer les exigences, les méthodes d essai, les critères d évaluation, etc., il faut éventuellement avoir recours à un spécialiste. Sortes de béton Afin de permettre une application pratique de la norme SN EN 206-1, les sortes de béton couramment utilisées pour le bâtiment et le génie civil ainsi que les pieux forés et parois moulées ont été prédéfinies (tab ): les différentes sortes sont désignées par 0 et A à C pour les bétons du bâtiment et par D à G pour les bétons du génie civil, abrégés T1 à T4. Pour les bétons des pieux forés et des parois moulées, on dispose de 4 classes, désignées par P1 à P4. A ces sortes de béton correspondent les bétons standardisés du catalogue d articles normalisés (CAN). Tab : Exigences de base et complémentaires concernant les sortes de béton courantes du bâtiment, du génie civil ainsi que des pieux forés et parois moulées avec une dimension maximale des granulats de 32 mm. Exigences de base Conformité à la norme Béton selon SN EN Sorte 0 Sorte A Sorte B Sorte C Sorte D (T1) Bâtiment Classe de résistance à la compression a) C12/15 C20/25 C25/30 C30/37 C25/30 Classe(s) d exposition X0 XC2 XC3 XC4, XF1 XC4, XD1, XF2 Dimension maximale du granulat [mm] b) D max 32 D max 32 D max 32 D max 32 D max 32 Classe de teneur en chlorures Cl 0.10 Cl 0.10 Cl 0.10 Cl 0.10 Cl 0.10 Classe de consistance b) C3 C3 C3 C3 C3 Autres classes d expositions par la sorte de béton XC1 XF3, XD2a Exigences complémentaires (à spécifier selon l objet) Résistance à la RAG Si nécessaire, à spécifier selon le cahier technique SIA 2042 Résistance aux sulfates à spécifier si nécessaire Résistance au gel/dégel en présence de sels de déverglaçage moyenne f) Exigences relatives à la composition Rapport E/C max. resp. rapport E/C éq max. [-] Dosage minimal en ciment c) [kg/m 3 ] Teneur en farines [kg/m 3 ] D max > 8 mm D max 8 mm a) Il est possible de spécifier une classe de résistance à la compression plus élevée. b) La dimension maximale nominale du granulat ainsi que la classe de consistance peuvent être modifiées de façon spécifique au projet. c) Dosage minimal en ciment valable pour D max = 32 mm et sans prise en compte des additions. Pour d autres D max, le dosage minimal en ciment doit être corrigé selon le tableau «Dosage minimal en ciment» (voir tab ), exception béton pour pieux forés et parois moulées. 70 Holcim guide pratique du béton

216 Pour ces sortes de béton, les exigences de base sont déjà définies, mais le prescripteur peut les adapter en fonction de l emploi du béton en ce qui concerne la dimension maximale des granulats, la consistance et la classe de résistance à la compression. La classe de teneur en chlorures correspond aux exigences relatives au béton armé et précontraint. Pour ces sortes de béton, les exigences complémentaires sont spécifiées pour quelques propriétés choisies, telles que la résistance à la RAG, la résistance aux sulfates et la résistance au gel en présence de sels de déverglaçage. Les exigences relatives à la composition du béton sont définies par des valeurs limites du rapport E/C maximal, de la teneur minimale en ciment et en farines. Fig : le béton transporté par camion benne est protégé de la dessiccation par une bâche. Sorte E (T2) Sorte F (T3) Sorte G (T4) P1 au sec (NPK H) P2 sous l eau (NPK I) P3 au sec (NPK K) P4 sous l eau (NPK L) Génie civil et ouvrages d art Pieux forés et parois moulées C25/30 C30/37 C30/37 C25/30 C25/30 C20/25 C20/25 XC4, XD1, XF4 XC4, XD3, XF2 XC4, XD3, XF4 d) d) d) d) D max 32 D max 32 D max 32 D max 32 D max 32 D max 32 D max 32 Cl 0.10 Cl 0.10 Cl 0.10 Cl 0.10 Cl 0.10 Cl 0.10 Cl 0.10 C3 C3 C3 F4 F5 F4 F5 XD2a XD2b, XAA XD2b e) si nécessaire élevée f) moyenne f) élevée f) évent. moyenne évent. moyenne d) Afin d éviter toute confusion, aucune classe d exposition n est indiquée. e) Comme ce type de pieux est situé au sec, il ne devrait pas être soumis à des attaques sulfates. f) Exigence complémentaire non impérative car elle découle directement de la classe XF spécifiée. Des exigences différentes sont à éviter Holcim guide pratique du béton 71

217 2. Béton bases, production et exigences 2.3 Exigences normatives relatives au béton Essais de durabilité suisses Depuis l introduction de la norme SN EN 206-1, la durabilité a acquis une importance particulière. Pour cette raison, les essais de durabilité pour les bétons du bâtiment et du génie civil sont définis en Suisse comme essais normalisés. Ces essais de durabilité sont décrits dans la norme SIA 262/1: perméabilité à l eau (P) résistance à la carbonatation (RCarb) résistance aux chlorures (RCl ) résistance au gel/dégel en présence de sels de déverglaçage (GDS) Contrôles et critères de conformité Propriétés du béton frais Toutes les propriétés du béton frais peuvent être contrôlées à la centrale à béton. Il faut veiller à ce qu elles ne changent pas de manière significative durant le transport de la centrale au chantier. Consistance La consistance doit être contrôlée à chaque livraison de béton prêt à l emploi au moins visuellement, également dans le cas du béton produit sur le chantier. Si cela n est pas possible, la consistance peut être surveillée à l aide de la valeur Wattmétrique du malaxeur. La mesure physique de la consistance doit être réalisée au moment de l utilisation du béton. Cela signifie pour le béton prêt à l emploi lors du déchargement. L application des différentes méthodes d essai est recommandée pour les plages de consistances suivantes: affaissement 0 mm et 210 mm indice de serrage 1.04 et < 1.46 étalement > 340 mm et 620 mm Mesure de consistance Plages de valeurs cibles Tolérance Etalement toutes les plages ±30 mm Affaissement Indice de serrage Affaissement au cône d Abrams (béton autoplaçant) 40 mm ±10 mm mm ±20 mm 100 mm ±30 mm 1.26 ± ± ±0.05 toutes les valeurs ±0.50 mm Tab : Tolérances relatives aux valeurs cibles de consistance. Tab : Essais de durabilité et types de ciment admis pour les bétons du bâtiment et du génie civil. Sortes de béton du bâtiment Sortes de bétons Sorte 0 Sorte A Sorte B Sorte C Sorte D (T1) Essais de durabilité 1) néant P 1), RCarb RCarb RCarb, GDS Sortes de béton du génie civil Sorte E (T2) RCarb, GDS Sorte F (T3) RCl, GDS Sorte G (T4) RCl, GDS Types de ciment admis CEM I CEM II/A-LL CEM II/A-M (D-LL) CEM II/B-LL les dosages minimaux en ciment doivent être augmentés de 20 kg/m 3 non autorisés CEM II/A-D CEM II/A-S CEM III/A non autorisés CEM III/B CEM II/A-M (V-LL) CEM II/B-M (V-LL) CEM II/B-T CEM II/B-M (T-LL) CEM II/B-M (S-LL) CEM II/B-M (S-T) ) P, en cas d exigence spécifiée 72 Holcim guide pratique du béton

218 Au cas où une valeur cible de la consistance a été convenue au lieu d une classe de consistance, les tolérances indiquées au tableau s appliquent. Il est possible d utiliser pour le contrôle de la conformité des écarts maximum admissibles plus grands, lorsque l essai porte sur le premier déversement après 0.3 m 3 jusqu au maximum 1.0 m 3 de béton frais déchargé (tab ). L assurance qualité sur le chantier est décrite au chapitre Autres propriétés du béton frais Les contrôles et critères de conformité des autres propriétés du béton frais sont résumés dans le tableau Rapport eau/ciment Les critères de conformité s appliquent au rapport E/C, qui est calculé sur la base du dosage en ciment (indiqué sur le protocole de charge ou selon recette) et la teneur en eau efficace. Les adjuvants liquides doivent être pris en compte à partir d une quantité supérieure à 3 l/m 3. Méthode d essai Echantillonnage avant ou après le déchargement des premiers 2 m 3 Ecart maximum admissible des résultats individuels d essai par rapport aux limites de la classe spécifiée ou aux tolérances applicables à la valeur cible Tab : Critères de conformité relatives à la consistance. limite inférieure limite supérieure Affaissement Indice de serrage Etalement Affaissement (béton autoplaçant) après 1 m 3 20 mm +30 mm déchargement initial (0.3 à 1.0 m 3 ) 30 mm +40 mm après 1 m 3 10 mm +20 mm déchargement initial (0.3 à 1.0 m 3 ) 20 mm +30 mm après 1 m déchargement initial (0.3 à 1.0 m 3 ) mm +40 mm Aptitude à l écoulement en cas d exigence, à convenir, sinon les limites de classes équivalent à des limites absolues Propriété Nombre minimal d essais Ecart maximum admissible des résultats individuels d essai par rapport aux limites de la classe spécifiée ou aux tolérances applicables à la valeur cible Consistance limite inférieure limite supérieure voir tab voir tab Tab : Fréquence d essais et critères de conformité pour les propriétés de béton frais. Masse volumique béton lourd Masse volumique béton léger comme pour le contrôle de la résistance à la compression (Tab ) 30 kg/m 3 pas de limite, sauf en cas de spécification 30 kg/m kg/m 3 Rapport E/C 1 / jour de production calcul sur la base du protocole de charge ou la recette pas de limite, sauf en cas de spécification Teneur en ciment 1 / jour de production calcul sur la base du protocole de charge ou la recette 10 kg/m 3 pas de limite, sauf en cas de spécification Teneur en air 1 / par jour de production après stabilisation 0.5 % vol. de la valeur minimale (définie par le producteur) +1 % vol. de valeur absolue de la limite supérieure (= valeur minimale + 4 % vol.) Teneur en chlorures Calcul pour chaque sorte de béton à chaque changement des constituants pas de limite aucune valeur supérieure n est admise Holcim guide pratique du béton 73

219 2. Béton bases, production et exigences 2.3 Exigences normatives relatives au béton Les additions peuvent être prises en compte selon le concept du coefficient k. Aucune valeur du rapport E/C ne peut dépasser la valeur limite de (voir tab ). Teneur en air La teneur en air entrainé nécessaire pour obtenir une résistance moyenne ou élevée au gel en présence de sels de déverglaçage est définie par le producteur du béton. La plage de production conforme se situe entre cette valeur minimale plus 4 % de volume, couvrant avec les écarts maximum admissibles une marge totale de 5.5 % de volume. Propriétés du béton durci Le contrôle et les critères de conformité concernant les propriétés de béton durci figurent dans les tableaux et Outre les exigences relatives à la résistance à la traction par fendage, lesquelles sont analogues à celles de la résistance à la compression, il existe également des exigences quant aux résistances aux sulfates (voir chapitre 6.3) et à la RAG (voir chapitre 6.4) Béton à composition prescrite Lors de projets de construction présentant des exigences particulières quant aux propriétés du béton ou en cas d utilisation de composants spéciaux (p. ex. granulats prescrits), il est également possible et judicieux de commander un béton à composition prescrite. Dans ce cas, la responsabilité concernant l obtention des propriétés visées incombe à l auteur de la formulation (voir tab ). Ce dernier peut être aussi bien l entrepreneur que l auteur du projet, respectivement le maître d ouvrage. L auteur de la formulation du béton peut, pour cela, s appuyer sur des expériences à long terme, des essais initiaux ou d autres données disponibles provenant de bétons comparables. Il incombe au prescripteur de fournir les justificatifs requis comme base de la formulation et de procéder à la vérification des propriétés obtenues du béton frais et du béton durci. Le producteur doit prouver la conformité de chaque gâchée, mais celle-ci se limite au respect de la composi- Résistance à la compression Production initiale (35 premiers résultats) Production continue Essai selon SN EN Exigence de conformité pour valeur moyenne d une sorte individuelle critère 1 Exigence de conformité pour valeur moyenne d une famille de béton critère 1 valeur moyenne de 3 résultats: f cm f ck + 4 N/mm 2 valeur moyenne de 3 résultats: f cm transposé f ck béton de référence + 4 N/mm 2 valeur moyenne de 15 résultats: f cm f ck σ 1) écart-type des derniers 15 résultats σ 15 : 0.63 σ σ σ valeur moyenne de 15 résultats: f cm transposé f ck béton de référence σ 1) tous f ci transposé écart-type des derniers 15 résultats σ 15 : 0.63 σ σ σ Exigence de confirmation pour valeur moyenne d une famille de béton critère 3 Exigence pour résultats individuels critère 2 valeur moyenne de n résultats d une sorte particulière: f cm sorte particulière (2) f ck sorte particulière 1.0 N/mm 2 f cm sorte particulière (3) f ck sorte particulière N/mm 2 f cm sorte particulière (4) f ck sorte particulière N/mm 2 f cm sorte particulière (5) f ck sorte particulière N/mm 2 f cm sorte particulière (6) f ck sorte particulière N/mm 2 chaque résultat individuel d essai: f ci f ck sorte particulière 4 N/mm 2 Béton sans certification du 3 échantillons pour les premiers 50 m 3, ensuite 1 échantillon tous les 150 m 3 contrôle de production 2) échantillon par jour de production 3 échantillons pour les premiers 50 Béton sans certification du m3, contrôle de production 2) ensuite 1 échantillon tous les 200 m 3 ou 2 échantillons par semaine de production 1 échantillon tous les 400 m 3 ou 1 échantillon par semaine de production 1) σ: écart-type établi la première fois à partir des premiers 35 résultats d essai de la production initiale, respectivement des 35 résultats d essais précédents. 2) Les producteurs qui ne sont pas certifiés selon la norme SN EN 206-1, ne peuvent offrir du béton selon cette norme, ni utiliser des codes définis dans cette norme. Tab : Fréquence d essais et exigences pour la résistance à la compression. 74 Holcim guide pratique du béton

220 tion du béton prescrite selon les exigences de la norme SN EN relatives au contrôle de la production, en particulier l exactitude des dosages. La preuve de conformité concernant la quantité, le type et l origine des constituants du béton se base sur les bons de livraison respectifs et les protocoles de charge (ou recettes). Les mêmes critères de conformité relatifs à la consistance du béton à propriétés spécifiées sont valables. Lors de la commande, il faut fournir des indications complètes portant sur la composition du béton: type et teneur des adjuvants et additions, éventuellement origine De plus, les exigences complémentaires suivantes peuvent être spécifiées: origine de tous les composants du béton exigences spéciales relatives aux granulats (p. ex. couleur, forme, PSV, etc.) température du béton frais autres exigences techniques référence à la norme SN EN teneur en ciment, type de ciment et classe de résistance, origine rapport E/C ou classe de consistance type, catégorie et teneur en chlorures maximale des granulats masse volumique minimale respectivement maximale des granulats pour le béton léger ou lourd dimension maximale des granulats et restriction en termes de granularité Propriété du béton durci Perméabilité à l eau Résistance à la carbonatation Résistance aux chlorures Résistance au gel/dégel en presence de sels de déverglaçage moyenne élevée Essai selon norme SIA 262/1 annexe A annexe I annexe B annexe C Exigence pour les sortes de béton Sorte B 5) Sortes B, C, D et E Sortes F et G Sortes D et F Sortes E et G Valeur limite pour la valeur moyenne q w 10 g/m 2 h K N 5.0 mm/an 1/2 2) 3) 4) D Cl m 2 /s m 1200 g/m 2 m 200 ou m 600 g/m 2 et m 28 ( m 6 + m 14 ) Valeur limite pour la valeur moyenne + écart maximum admissible q w 12 g/m 2 h K N 5.5 mm/an 1/2 2) 3) 4) D Cl m 2 /s m 1800 g/m 2 m 250 ou m 800 g/m 2 et m 28 ( m 6 + m 14 ) Fréquence des essais pour les producteurs de béton sans expérience suffisante 1) Fréquence des essais pour les producteurs de béton avec une expérience suffisante 1) au moins 4 fois par an ou tous les 500 m 3 à partir de 4000 m 3 tous les 1000 m 3 à partir de m 3 tous les 1500 m 3 au moins 2 fois par an ou tous les 1000 m 3 à partir de 4000 m 3 tous les 2000 m 3 à partir de m 3 tous les 3000 m 3 au moins 4 fois par an ou tous les 125 m 3 à partir de 1000 m 3 tous les 250 m 3 à partir de 2000 m 3 tous les 500 m 3 au moins 2 fois par an ou tous les 250 m 3 à partir de 1000 m 3 tous les 500 m 3, à partir de 2000 m 3 tous les 1000 m 3 1) Producteur de béton avec une expérience suffisante: production d une sorte de béton conforme à la norme durant les trois dernières années. 2) Les valeurs indiquées sont valables pour un enrobage d armature c nom selon la norme SIA 262 et une durée de service prévue de 50 ans. 3) Pour XC3 et une durée de vie de 100 ans: K N 4.0 mm/an 1/2 (valeur limite pour la valeur moyenne + écart maximum admissible: 4.5 mm/an 1/2 ). Si l enrobage d armature est augmentée de 35 (valeur nominale de la norme SIA 262) à 45 mm, la valeur limite K N 4.5 mm/an 1/2 (valeur limite pour la valeur moyenne + écart maximum admissible: 5.0 mm/an 1/2 ) s applique. 4) Pour XC4 et une durée de vie de 100 ans: K N 4.5 mm/an 1/2 (valeur limite pour la valeur moyenne + écart maximum admissible: 5.0 mm/an 1/2 ). 5) Essais seulement en cas d exigences de béton étanche à l eau La fréquence des essais est valable pour chaque essai et pour chaque sorte de béton à contrôler. Si différentes sortes de béton sont réunies en familles de béton conformément au tableau 2.2.1, elle s applique à chaque famille de béton. La fréquence d essai dépend du volume produit cumulé d une sorte ou d une famille de béton durant les 12 derniers mois. La règle donnant le plus grand nombre d essais s applique. Tab : Fréquence d essais et exigences de conformité pour les essais sur béton durci, à l exception de la résistance à la compression. Holcim guide pratique du béton 75

221

222 Chapitre 3 Du béton frais au béton durci 3.1 Introduction Malaxage Ouvrabilité et autres propriétés du béton frais Consistance Masse volumique du béton frais Teneur en air Teneur en eau Transport, réception, transbordement et mise en place Transport Réception du béton Transbordement Mise en place Compactage Objectif Modes de compactage Energie de compactage Propriétés mécaniques du béton durci Résistance à la compression Résistance à la traction Module d élasticité Comportement à la déformation du béton indépendamment des charges Introduction Retrait et gonflement Déformations dues à la température Protection contre la corrosion de l armature Epaisseur et qualité du béton d enrobage Perte de la protection contre la corrosion due à la carbonatation Perte de la protection contre la corrosion due aux chlorures Assurance de la qualité sur le chantier Introduction Contrôle du béton Cure Objectifs et mesures Types de cure Exigences relatives à la cure Effets de la cure sur les propriétés du béton durci Bétonnage sous des conditions météorologiques extrêmes Température du béton frais Bétonnage par temps chaud Bétonnage par temps froid 98

223 3. Du béton frais au béton durci 3. Du béton frais au béton durci 3.1 Introduction 3.1 Introduction Le béton est appelé béton frais tant qu il est possible de le mettre en œuvre. Passé le stade de la prise, il évolue vers le béton durci. Le passage du béton frais au béton durci est caractérisé par deux phases successives, l une passant progressivement à l autre: la phase du béton dit «rigidifié» et la phase du béton dit «de jeune âge» (fig ). Le béton frais, mis en place, compacté et en train de se raidir, est nommé béton «rigidifié». La résistance du béton rigidifié résulte essentiellement des forces d adhérence entre l eau et les particules solides ainsi que du frottement interne et de l enchevêtrement du granulat. Au fur et à mesure de la progression de l hydratation du ciment et du durcissement, le béton «rigidifié» passe au béton «jeune». Le béton jeune n est plus ouvrable en raison de son état solidifié. Pour permettre au béton frais d atteindre les propriétés exigées en phase durcie, divers facteurs d influence sont à prendre en compte, en particulier lors du malaxage, du transport, du transbordement et de la mise en place du béton ainsi que lors de son compactage et de sa cure. Fig : Mise en place du béton à la grue. Fig : Phases de passage du béton frais au béton durci. Résistance à la compression relative fin de l ouvrabilité début de prise début de durcissement montée en résistance selon norme raidissement durcissement malaxage, transport mise en place, compactage heures jours béton rigidifié béton jeune béton durci début de la cure 78 Holcim guide pratique du béton

224 3.2 Malaxage Les composants sont normalement dosés par pesée selon la norme SN EN L ordre d introduction des composants, le type de malaxeur et la durée de malaxage influent sur la qualité des bétons produits. Cette qualité dépend de: l homogénéité du mélange l effet des adjuvants la performance du malaxeur l usure du malaxeur Dans les centrales à béton on emploie habituellement des malaxeurs à mélangé forcé (malaxeur à double arbres horizontaux, planétaire avec ou sans train valseur, malaxeur conique, voir fig ). Pour chaque type de malaxeur des charges minimales et maximales sont définies. Des charges inférieures ou supérieures à ces limites peuvent avoir des répercussions négatives sur la qualité du béton. Au moment du malaxage, les composants sont normalement dosés selon l ordre suivant: les granulats le ciment les additions l eau de gâchage et les adjuvants Les fluidifiants sont en règle générale ajoutés à l eau de gâchage ou, au plus tôt, introduits avec celle-ci dans le malaxeur. Les fiches techniques des adjuvants donnent des indications supplémentaires p. ex. concernant l ordre d introduction en cas d emploi simultané de plusieurs adjuvants. Fig : Malaxeur à double arbres horizontaux. Durée de malaxage La durée de malaxage dépend du type de malaxeur et doit être déterminée par des essais. Elle commence au moment où tous les composants se trouvent dans le malaxeur et elle se termine lorsque le béton frais est homogène. La durée de malaxage des bétons courants, c.-à-d. le temps de malaxage humide, se situe habituellement entre 60 et 90 secondes (fig ). Puissance absorbée [kw] introduction des composants début du malaxage humide obtention d'une homogénéité suffsante vidange du malaxeur Fig : Courbe typique de la puissance absorbée par le moteur du malaxeur pendant une gâchée de béton courant (courbe wattmétrique) secondes gain d homogénéité négligeable Durée de malaxage [secondes] Holcim guide pratique du béton 79

225 3.2 Malaxage 3. Du béton frais au béton durci 3.2 Malaxage Les bétons à propriétés particulières (p. ex. béton autoplaçant, béton à haute résistance, béton de parement, béton léger et béton à air entraîné) nécessitent généralement des temps de malaxage plus longs (tab ). Si un dosage supplémentaire en eau s avère nécessaire pour obtenir la consistance visée du béton frais, la durée de malaxage se prolongera en conséquence. Dans le cas où un plastifiant ou fluidifiant doivent être ajoutés après le malaxage principal, il est nécessaire de mélanger à nouveau le béton, afin que l adjuvant soit complètement dispersé dans le mélange et puisse déployer son effet. Valeurs relatives [%] Tab : Durée de malaxage recommandée pour différents types de béton. Une durée de malaxage trop courte peut avoir des conséquences négatives sur les propriétés du béton frais et durci (voir fig ) car elles empêchent le déploiement des adjuvants, p. ex. des entraîneurs d air. Un apport d énergie ultérieur dans le camion malaxeur peut engendrer une augmentation de la teneur en air des bétons à air entraîné (activation ultérieure). Type de béton Béton vibré Durée de malaxage humide recommandée [secondes] Durée de malaxage humide [secondes] résistance à la compression teneur en air Fig : Influence de la durée de malaxage sur la résistance à la compression relative du béton à 28 jours et la teneur en air relative (béton à air entraîné). Béton à propriétés particulières (p. ex. béton à air entraîné, béton léger) Béton avec ajout de fumée de silice (suspension, en poudre) Béton autoplaçant 120 Rajout d adjuvants dans le camion malaxeur Durée de malaxage recommandée [minutes] Béton vibré 5 7 Fig : Camion malaxeur en livraison. 80 Holcim guide pratique du béton

226 3.3 Ouvrabilité et autres propriétés du béton frais Consistance La consistance du béton frais détermine l ouvrabilité du béton. Elle décrit non seulement la cohésion interne du béton frais, mais aussi d importantes propriétés telles que le comportement à l écoulement, la tendance à la ségrégation et l aptitude au lissage. La consistance du béton frais a une influence primordiale sur la facilité de transbordement, de mise en place et de compactage sur le chantier. En Suisse, les méthodes suivantes sont employées de préférence pour la mesure de la consistance: l étalement à la table à chocs l indice de serrage selon Walz l affaissement au cône d Abrams (Slump) Pour le béton autoplaçant, d autres méthodes d essai ont été développées. Elles tiennent compte de sa consistance particulière et sont décrites au chapitre 4.3. L étalement à la table à chocs L étalement décrit quantitativement la manière dont le béton frais s étale sur une surface plane laissée tomber d une hauteur définie sur un cadre. La détermination de l étalement (f) est définie dans la norme SN EN L étalement est une méthode de mesure adaptée aux classes de consistance du béton frais F2 à F5, c.-à-d. pour des bétons fermes à fluides. Elle n est pas recommandée pour la mesure des étalements 340 mm et > 600 mm (tab ). Mesure de l étalement: contrôler que les ustensiles et équipements respectent les exigences de la norme poser la table d étalement sur un support plat, horizontal et non soumis à des vibrations ou à des chocs humidifier la table d étalement, la face interne du moule conique et tous les ustensiles introduire le béton frais dans le moule conique situé au centre de la table en deux couches d une hauteur égale compacter chaque couche dix fois avec la tige de piquage araser le béton au niveau du bord supérieur du moule à l aide de la tige de piquage et nettoyer le plateau de la table autour du moule 30 secondes après l arasement du béton, soulever le moule avec précaution verticalement et lentement en 1 à 3 secondes soulever le plateau jusqu à la butée et le laisser retomber librement, répéter 15 fois ce cycle, la durée de chaque cycle étant comprise entre 1 et 3 secondes. La table est stabilisée en bloquant avec les pieds de l opérateur les pattes à l avant de la table mesurer avec la règle l étalement maximal du béton en deux directions d 1 et d 2, parallèles aux bords de la table, en millimètres calculer l étalement selon l équation à partir des deux valeurs de mesure, le résultat est indiqué à 10 mm près Valeur d étalement: f = Eq d 1 + d 2 2 [mm] Exemple 14: Détermination de l étalement f d un béton dans le cadre d un contrôle de béton frais. Les mesures des diamètres d 1 et d 2 de la galette donnent des valeurs de d 1 = 450 mm et d 2 = 465 mm. d Etalement f = 1 + d = = arrondi à Fig : Mesure de l étalement selon la norme SN EN d 1 d 2 Holcim guide pratique du béton 81

227 3.3 Ouvrabilité et autres propriétés du béton frais 3. Du béton frais au béton durci 3.3 Ouvrabilité et autres propriétés du béton frais Une évaluation visuelle de la pâte de béton frais est possible lors de la mesure de l étalement selon les critères suivants: la géométrie et la taille de la galette la distribution des éléments fins et grossiers (proportion suffisante de pâte de ciment) la présence d une auréole d eau en bordure L indice de serrage selon Walz L indice de serrage décrit quantitativement la compactibilité d un béton frais par vibration. La détermination de l indice de serrage d après Walz est définie dans la norme SN EN L indice de serrage est une méthode de mesure adaptée aux classes de consistance du béton frais C1 à C3, c.-à-d. pour des bétons raides à plastiques. Elle n est pas recommandée pour la mesure des indices de serrage < 1.04 ou > Une exception est faite pour les bétons légers d un indice de serrage < 1.04, c.-à-d. de la classe de consistance C4 (tab ). L affaissement (Slump) L affaissement décrit quantitativement l affaissement libre du béton frais. La détermination de l affaissement (h) est définie dans la norme SN EN L affaissement est une méthode de mesure adaptée aux classes de consistance du béton frais S1 à S4, c.-à-d. pour des bétons raides à très plastiques. Elle n est pas recommandée pour une mesure d affaissement > 220 mm (tab ). Le changement de la teneur en eau d une formule de béton induit, sous des conditions constantes de température, un changement non seulement de consistance mais aussi de résistance (voir tab ). Fig : Mesure de l indice de serrage selon Walz selon la norme SN EN Mesure de l indice de serrage: contrôler que les ustensiles et équipements respectent les exigences de la norme humidifier les faces internes du récipient et le poser sur un support plat et stable introduire le béton dans le récipient au moyen d une truelle, en le plaçant alternativement sur les quatre bords du récipient éliminer le béton en excès avec un mouvement de sciage de la règle d arasement (tout en évitant de compacter le béton) compacter le béton avec une aiguille vibrante jusqu à ce qu on ne puisse plus déceler de réduction de volume mesurer au milieu de chacun des côtés du récipient l abaissement s 1 à s 4 au millimètre près et en faire la moyenne s calculer l indice de serrage à partir de la valeur moyenne selon l équation Le résultat est exprimé à deux décimales près Indice de serrage: 400 c = [-] 400 s Exemple 15: Détermination de l indice de serrage c dans le cadre d un contrôle de béton frais. La mesure des abaissements s 1 à s 4 donne les valeurs suivantes: s 1 = 14 mm, s 2 = 16 mm, s 3 = 13 mm et s 4 = 14 mm. Calcul de la valeur moyenne s: s s = 1 + s 2 + s 3 + s = = mm 4 4 Indice de serrage c: c = = = 1.04 [-] 400 s Eq S 400 mm 200 mm 82 Holcim guide pratique du béton

228 Changement de la consistance Teneur en eau [l/m 3 ] La compression à 28 jours [N/mm 2 ] Etalement: +10 mm +5 1 à 3 Indice de serrage: à 8 Affaissement: +10 mm +2 à à 1.5 Tab : Valeurs indicatives du changement de la consistance et de la résistance par un changement de la teneur en eau. Evolution de la consistance au cours du temps Dès la fin du malaxage, le béton commence lentement à se raidir, ce qui conduit à une perte de son ouvrabilité (fig ). La durée d ouvrabilité est influencée de manière significative par la composition du béton et les conditions climatiques. De ce fait, on tient compte de la durée de transport du béton en prenant une marge de consistance suffisante lors de la confection du béton. Il est ainsi possible de garantir la consistance convenue lors de la mise en place. En règle générale, on admet pour des bétons courants avec des fluidifiants à base de PCE et ayant une température de béton frais de 20 C une réduction de l étalement de mm par 10 minutes. Les bétons raidissent plus vite lorsque les températures du béton frais sont élevées, lors de l utilisation de ciments à prise rapide ou en présence de faibles teneurs en eau. Immédiatement après le malaxage, l étalement d un béton courant descend d une classe de consistance plus basse pour une température de béton frais de 30 C en comparaison à un béton identique, mais pour une température de béton frais de 20 C. Etalement [mm] F4 F3 F2 à base de PCE à base de naphtalène et mélamine Temps après le gâchage [minutes] C4 C3 C Mesure de l affaissement: contrôler que les ustensiles et équipements respectent les exigences de la norme humidifier la face interne du moule conique et le plateau de base introduire le béton frais en trois couches d une hauteur égale, sans déplacer le moule compacter chaque couche 25 fois avec la tige de piquage, en observant les prescriptions normatives pour le compactage pour le remplissage et le piquage de la couche supérieure, remplir en excès le moule avant de commencer le piquage araser le béton au niveau du bord supérieur du moule en effectuant un mouvement de sciage et de roulage à l aide de la tige de piquage et nettoyer le plateau de base soulever verticalement le moule avec précaution (sans rotation) en 2 à 5 secondes. L ensemble des opérations, depuis le début du remplissage jusqu à l enlèvement du moule, doit être réalisé sans interruption et terminé en moins de 150 secondes mesurer l affaissement (h) à 10 mm près Fig : Mesure de l affaissement (Slump) selon la norme SN EN mm h 300 mm Fig : Evolution au cours du temps de la consistance (abscisse gauche: étalement, abscisse droite: indice de serrage) après le gâchage du béton à une température de béton frais de 20 C. La zone rouge représente les fluidifiants à base de PCE, la zone grise les fluidifiants à base de naphtalène et de mélamine. Indice de serrage [-] 200 mm Holcim guide pratique du béton 83

229 3. Du béton frais au béton durci 3.3 Ouvrabilité et autres propriétés du béton frais Masse volumique du béton frais La masse volumique du béton frais peut être contrôlée à partir de la masse volumique théorique résultant du calcul de la formulation du béton. La comparaison de la masse volumique du béton frais théorique et celle mesurée permet d obtenir des renseignements sur le degré de compactage et la composition du béton. La méthode de mesure de la masse volumique du béton frais est définie dans la norme SN EN S il est prévu de déterminer en plus de la masse volumique du béton frais sa teneur en air selon SN EN , les deux valeurs seront déterminées sur le même échantillon. Mesure de la masse volumique: humidifier légèrement la face interne du récipient nommé «pot à air» sur le chantier avec une éponge avant le remplissage peser le pot à air avec une précision de moins de 10 g (m 1 ) poser le pot à air sur un support horizontal et verser le béton frais avec une main-écope le compactage est normalement réalisé avec une aiguille vibrante remplissage complet du pot à air par du béton entièrement compacté, si nécessaire, en ajoutant un supplément de béton lisser la surface avec la truelle et araser le béton au niveau du bord supérieur du pot à air à l aide d une règle métallique Remarque: il est possible d utiliser une rehausse qui sera enlevée aussitôt après le compactage. Dans ce cas, la couche de béton superflue (au max. 1 cm d épaisseur) sera éliminée au moyen de la règle d arasement et la surface sera aplanie et lissée à la truelle. nettoyer avec une éponge le bord et la face externe du pot à air peser le pot à air rempli (m 2 ) calculer la masse volumique du béton frais selon l équation à partir de la différence de masse (m 2 m 1 ) et du volume connu du pot à air (V) Teneur en air Le béton frais contient toujours des pores, même après un compactage minutieux. Un béton avec un diamètre maximal du granulat de 32 mm et une consistance plastique possède normalement 1 à 2 % vol. de pores (sans air entraîné). Pour du béton compacté et confectionné avec des granulats courants ou relativement denses, jusqu à un diamètre maximal de 63 mm, la méthode de mesure de la teneur en air est décrite dans la norme SN EN Pour les bétons avec un granulat léger, on doit choisir une autre méthode de mesure. Pour les bétons autoplaçants, on renonce au compactage mais il est possible de taper légèrement avec un maillet contre la paroi extérieure du récipient afin d évacuer l air sans écoulement du béton. La méthode de compactage doit être indiquée dans le rapport d essai. Mesure de la teneur en air: introduire le béton dans le pot à air et le compacter complètement (voir chapitre 3.3.2) poser le couvercle et bien serrer l ensemble, fermer la soupape principale et ouvrir les robinets latéraux injecter de l eau à l aide d une pissette par un des robinets jusqu à ce qu elle ressorte sans bulles d air par l autre robinet fermer le «robinet de sortie» pendant que l eau s écoule tapoter légèrement l appareillage avec le maillet ou incliner légèrement l appareillage jusqu à expulsion de tout l air occlus, ensuite fermer le «robinet d entrée» tout en continuant à injecter de l eau pomper de l air jusqu à ce que l aiguille du manomètre dépasse le niveau zéro stabiliser l aiguille du manomètre au point zéro en réduisant la pression à l aide de la vis ou en augmentant la pression d air. tapoter légèrement le manomètre jusqu à stabilisation (l aiguille ne doit plus bouger) ouvrir la soupape de mesure sans tapoter le manomètre, lire la teneur en air (LP) à une décimale près Masse volumique du béton frais: (m ρ 0 = 2 m 1 ) [kg/m 3 ] V m 1 masse du pot à air vide m 2 masse du pot à air rempli de béton frais compacté et arasé V volume du pot à air La valeur de la masse volumique est arrondie aux 10 kg/m³ les plus proches. Fig : Mesure de la teneur en air avec la méthode du manomètre selon la norme SN EN Eq Holcim guide pratique du béton

230 3.3.4 Teneur en eau Si la teneur en ciment et la masse volumique du béton frais sont connues, il est possible de déterminer le rapport E/C à l aide de la teneur en eau d un échantillon de béton frais. La méthode de mesure de la teneur en eau du béton frais est décrite dans la norme SIA 262/1, annexe H. La réalisation de l essai par séchage du béton dure environ 30 minutes. Détermination de la teneur en eau: peser et tarer la plaque résistante au feu et la poêle de séchage (noter la tare) et mettre la balance à zéro ajouter env. 10 kg (pour D max 32 mm) de béton frais et peser sa masse initiale (m 0 ), précision de lecture de 1 g installer la poêle de séchage sur le réchaud et noter l heure de début de séchage (durée de séchage environ 20 minutes) pendant le séchage, remuer de temps en temps le béton avec une pelle ou un autre ustensile de grattage, désagréger les grumeaux, détacher les encroûtements autour des granulats lorsque l échantillon parait sec, peser la poêle et noter la masse et l heure de la pesée. Précision de lecture de 1 g. Répéter la pesée après environ 5 minutes de séchage supplémentaire jusqu à ce que la perte de masse soit inférieure à 5 g / 5 min à la dernière pesée, mesurer la masse de l échantillon séché (m tr ). Celle-ci est utilisée pour le calcul de la teneur en eau calcul de la teneur en eau, arrondie à 2 décimales, à partir des valeurs de masse et de la masse volumique du béton frais ρ 0 selon l équation La teneur en eau est indiquée avec une précision de 1 kg/m 3 Exemple 16: Détermination de la teneur en eau et le rapport E/C dans le cadre d un contrôle de béton frais. Le béton frais possède une masse volumique ρ 0 = 2382 kg/m 3 : l échantillon de béton frais prélevé avec m 0 = kg présentait une masse m tr = 9.72 kg Calcul de la teneur en eau E: m E = 0 m tr ρ 0 = 2382 m = kg/m 3 Pour un dosage du ciment C de 280 kg/m 3 et une teneur en eau absorbée du granulat E A de 13 kg/m 3, le rapport E/C peut être déterminé comme suit: E E E/C = A = = 0.55 C 280 Fig : Détermination de la teneur en eau par séchage du béton frais selon la norme SIA 262/1, annexe H. Teneur en eau: m E = 0 m tr ρ 0 [kg/m 3 ] m 0 Eq Holcim guide pratique du béton 85

231 3. Du béton frais au béton durci 3. Du béton frais au béton durci 3.4 Transport, réception, transbordement et mise en place 3.4 Transport, réception, transbordement et mise en place Transport Le béton prêt à l emploi doit être transporté et mis en place au plus vite après sa confection afin d éviter des pertes de qualité suite à une ségrégation, une dessiccation ou à la prise. Le béton frais d une consistance F3 à F5 (plastique à fluide) ne doit être transporté que dans des véhicules à cuve agitatrice (camion malaxeur). Il est possible de transporter des bétons frais avec une consistance raide (F1 et F2) avec des véhicules sans cuve agitatrice, mais il faut veiller à ne pas utiliser une cuve en aluminium. Les particules d aluminium érodées peuvent réagir avec la pâte de ciment en formant de l hydrogène gazeux (introduction d air non désiré). Pendant le transport, le béton doit être protégé de la pluie, de l ensoleillement, des courants d air, du gel, etc. Les mesures à prendre doivent être adaptées aux conditions climatiques ambiantes (couvrir le béton, augmenter la température du béton frais, etc.). Dans le cas d un transport par camion malaxeur, le béton, tout particulièrement le béton à air entraîné, doit être à nouveau malaxé une à deux minutes juste avant le déchargement. En général, une modification de la recette du béton n est pas admise en dehors de la centrale. Dans des cas particuliers, il est cependant possible d ajouter de l eau ou des adjuvants, à condition que ceci soit effectué sous la responsabilité du producteur, en vue d amener la consistance à la valeur cible. Il faut veiller à ce que les valeurs limites prescrites ne soient pas dépassées et qu on ait tenu compte de cet ajout d adjuvant lors de l essai initial. Toute quantité d eau complémentaire ou d adjuvant ajoutée dans le camion malaxeur doit être enregistrée dans tous les cas sur le bon de livraison. Il faut respecter la durée minimale de malaxage complémentaire figurant au tableau Il important de noter que tout ajout d eau complémentaire entraîne une réduction de la résistance à la compression et de la durabilité du béton (fig ). En cas d utilisation de véhicule sans équipement de malaxage, on renoncera à toute modification de recette. Résistance à la compression relative [%] C20/25 C40/ Ajout d eau ultérieur [l/m 3 ] Fig : Effet d un ajout d eau, sur chantier, sur la résistance à la compression. L effet d un ajout d eau au béton après le malaxage en centrale est proportionnellement nettement plus néfaste pour les bétons à résistance à la compression faible (C20/25) que pour les bétons d une résistance plus élevée (C40/50). Les propriétés spécifiées (résistance à la compression, durabilité) seront, dans tous les cas, toujours altérées. Tab : Choix des consistances en fonction des moyens de transbordement. Moyen de mise en place Tapis roulant Benne Pompe Benne avec tube vertical Canal incliné ou goulotte Consistance du béton C1 C2/F2 C3/F3 F4 possible recommandé 86 Holcim guide pratique du béton

232 3.4.2 Réception du béton Sur le chantier, le responsable de chantier réceptionne le béton en contrôlant le bon de livraison et le béton frais livré. Les contrôles de qualité à réaliser sur le chantier sont indiqués au chapitre Fig : Mise en place du béton à l aide d un tube de descente pour réduire la hauteur de chute Transbordement Les consistances recommandées en fonction des conditions locales et des moyens de transbordement sur le chantier sont indiquées au tableau Lors d un transbordement à la grue, on peut normalement exclure une ségrégation du béton. Lors du transport d un béton plastique ou du pompage d un béton frais dans une conduite, il faut veiller à ce que les bétons possèdent une bonne cohésion et ne libèrent pas d eau. Il est ainsi possible de prévenir une ségrégation qui peut conduire à une obturation des tuyaux de pompage (voir chapitre 4.1) Mise en place La composition du béton (consistance et diamètre maximal du granulat) doit être adaptée aux conditions locales du chantier (géométrie, distance entre les barres d armature) et le volume et la cadence de mise en place. La mise en place du béton doit être réalisée à vitesse constante et par couches horizontales en respectant une épaisseur aussi égale que possible. Pour obtenir une compactibilité suffisante, la hauteur de remplissage ne doit pas dépasser 50 à 70 cm. En cas de hauteur de déversement supérieure à 2 m, le béton doit être mis en place à l aide d un tube de descente ou d un tuyau de distribution, afin d éviter toute ségrégation (fig ). La vitesse de montée du béton à mettre en place est à choisir de telle manière à ce que le coffrage puisse résister à la pression du béton frais (voir fig ). Si possible, il faut éviter toute interruption de bétonnage, surtout en cas d exigences particulières relatives à la qualité de surface (béton de parement). La figure illustre la pression du béton frais sur un coffrage vertical selon la norme DIN pour des bétons d une classe de résistance C20/25, sans emploi de retardateurs de prise. Elle est valable pour une fin de prise t E = 7 heures, c.-à-d. Pression du béton frais ρ b [kn/m 2 ] Vitesse de montée v b [m/h] bétonnage lent classe de consistance F3 classe de consistance F4 classe de consistance F5 classe de consistance F6 bétonnage rapide béton autoplaçant pression hydrostatique Avant toute reprise de bétonnage, la surface du joint de travail doit être nettoyée des impuretés et particules libres et humidifiée pour obtenir une bonne adhérence du nouveau béton. Il est proscrit de bétonner sur des surfaces gelées, à moins de faire appel à des procédures particulières. Fig : Pression du béton frais en fonction de la vitesse de montée et de la classe de consistance, respectivement détermination de la vitesse maximale de montée pour une pression de béton frais donnée, pour t E = 7 heures. pour des bétons avec une évolution de la résistance rapide selon la norme SN EN et des températures de béton supérieures à 15 C, et pour des bétons avec une évolution de la résistance moyenne et des températures de béton supérieures à 20 C. Holcim guide pratique du béton 87

233 3. Du béton frais au béton durci 3.5 Compactage 3.5 Compactage Objectif Le compactage méticuleux joue avec la cure et la composition du béton un rôle essentiel pour produire un béton durable. Un compactage convenable permet d obtenir: une étanchéité accrue une durabilité améliorée la résistance à la compression exigée une bonne adhérence entre les barres d armature et le béton Modes de compactage Le choix du mode de compactage dépend de la consistance (fig ). Les bétons de consistance C3/F3 et C2/F2 sont généralement compactés par vibration. Seul le béton frais d une consistance raide C1/F1 est compacté par damage. La vibration se fait le plus souvent avec des pervibrateurs internes (aiguilles vibrantes), externes (vibrateur de coffrage, règles vibrantes) ou, dans la préfabrication, à l aide de tables vibrantes. On emploie souvent une combinaison de différentes méthodes Energie de compactage Le temps de compactage peut varier considérablement en fonction de la consistance et de l énergie de vibration appliquée (tab ). Il faut veiller à ce que le béton soit soumis à un effort de compactage adapté à sa consistance et ses propriétés. Une vibration insuffisante peut engendrer des défauts de compactage et une vibration excessive des ségrégations. Diamètre de l aiguille vibrante [mm] Diamètre de la zone d action [cm] < à > Espacement des points de piquage [cm] Tab : Energie de compactage nécessaire en fonction de la consistance du béton. La vibration met en oscillation le granulat, ce qui réduit momentanément fortement le frottement interne. Sous l effet des oscillations et de la gravité les grains se rapprochent les uns des autres, l air occlus s échappe sous forme de bulles d air à la surface et les vides se remplissent avec la partie la plus fine de la pâte de ciment. Contrairement au béton vibré, il n est pas nécessaire de compacter le béton autoplaçant (SCC, voir chapitre 4.3). Fig : Energie de compactage nécessaire en fonction de la consistance du béton. Classe de consistance C1/F1 C2/F2 C3/F3 C4/F4 F5 F6 BAP énergie de compactage damage, compactage au rouleau fort compactage compactage normal faible compactage léger compactage (piquage, bourrage) compactage très léger (agitation) sans compactage 88 Holcim guide pratique du béton

234 Règles du bon compactage L aiguille vibrante n est pas un moyen de répartition du béton. points d introduction de l aguille vibrante surface de la couche non compactée L aiguille vibrante doit être introduite dans le béton rapidement et à intervalles réguliers. Elle doit être maintenue brièvement au point le plus bas, remontée lentement, et enfin retirée de manière à ce que le trou du vibrateur se referme de lui-même. Si la surface ne se referme pas, cela peut signifier que la consistance du béton est trop ferme, que la prise a déjà commencé ou encore que la durée de vibration est insuffisante. couche déjà compactée Fig : Espacement des points d introduction de l aiguille vibrante cm cm La vibration doit être terminée dès qu une fine couche de laitance apparaît en surface et que les grosses bulles d air ne remontent plus que sporadiquement. Lorsque le béton est mis en place par couches successives, l aiguille vibrante doit pénétrer d environ 10 à 15 cm dans la couche sous-jacente, déjà compactée, pour assurer la bonne liaison entre les deux couches (fig ). L espacement des points d introduction de l aiguille doit être choisi de manière à ce que les rayons d action du pervibrateur se chevauchent légèrement (fig à gauche). La taille de l aiguille vibrante doit être adaptée aux dimensions de l élément d ouvrage (fig à droite). L aiguille vibrante ne doit pas toucher l armature ni le coffrage. Règle pratique Espacement des points d introduction de l aiguille = 8 à 10 fois le diamètre de l aiguille. correct coffrage faux Fig : Chevauchement des rayons d action (à gauche); adaptation de la taille de l aguille vibrante aux dimensions de l élément d ouvrage (à droite). correct faux coffrage Fig : Mise en place «frais sur frais» et compactage du béton à l aide de l aiguille vibrante. Exemples de points d introduction de la vibration. Diamètre de la zone d efficacité [cm] Diamètre de l aiguille vibrante [mm] Espacement des points d introduction [cm] Holcim guide pratique du béton 89

235 3. Du béton frais au béton durci 3. Du béton frais au béton durci 3.6 Cure 3.6 Cure Objectifs et mesures L objectif de la cure est de protéger le béton immédiatement et suffisamment de la dessiccation et des influences externes jusqu à ce qu il ait atteint, dans la zone de surface, la résistance nécessaire. La qualité de la zone de surface du béton dépend de manière significative du type et de la durée de cure. Les objectifs de la cure sont de: limiter la dessiccation précoce sous l effet du soleil, du vent, d une faible humidité de l air prévenir le délavage de la surface du béton jeune par la pluie ou des écoulements d eau éviter des changements rapides de température (choc thermique) par un décoffrage prématuré et en cas d éléments massifs empêcher des vibrations précoces nocives réduire les efflorescences à la surface du béton garantir un degré d hydratation suffisant Limiter la dessiccation précoce Il est primordial de prendre des mesures de protection contre la dessiccation précoce immédiatement après la mise en place du béton. Une perte d eau prématurée à la surface du béton se traduit par les effets néfastes suivants: apparition de fissures dues au retrait plastique tendance au farinage de la surface (poudrage) réduction de l étanchéité et de la durabilité diminution de la résistance à l usure diminution de la résistance à la compression de la zone de surface du béton La vitesse de dessiccation dépend des facteurs suivants: la température de l air l humidité relative de l air la vitesse du vent la température du béton A l aide du diagramme de la figure 3.6.1, il est possible d estimer la quantité d eau évaporée pour une surface de béton non protégée et de mettre en évidence le risque de fissuration due au retrait plastique. La figure illustre à l aide de l exemple 17 les effets de la dessiccation d une surface de béton courant non protégée. humidité relative de l air [%] température de l air [ C] 4.0 taux d évaporation (quantité d eau évaporée) [kg/(m 2 h)] température du béton [ C] Les éléments d ouvrage horizontaux tels que les dalles et les routes en béton, avec une grande surface exposée, sont particulièrement sujets à une dessiccation précoce. Ceci vaut spécialement pour des conditions de bétonnage impliquant une forte évaporation, p. ex. par temps chaud, par vent ou bien encore en cas d air frais et sec. De ce fait, il est impératif de procéder à la cure immédiatement après le compactage et la finition de la surface du béton Dans la pratique, on observe souvent des fissures au début de grandes étapes de bétonnage qui durent plusieurs heures et où la cure n a été réalisée qu après la fin vitesse du vent [km/h] Fig : Diagramme permettant d estimer la quantité d eau évaporée sur une surface de béton non protégée. Exemple en rouge: température de l air: 28 C humidité relative de l air: 50 % température du béton: 28 C vitesse du vent: 20 km/h résultat: taux d évaporation = 0.8 kg/m² h Holcim guide pratique du béton

236 Exemple 17: Calcul de la perte d eau d un béton non protégé Données: Quantité d eau dans le béton: 165 kg/m 3 = 1.65 kg/(cm m 2 ) Taux d évaporation: 0.8 kg/(m 2 h) 1.65 kg m 2 h h = kg m 2 cm cm Retrait plastique [mm/m] béton non protégé vitesse du vent 20 km/h béton non protégé vitesse du vent 10 km/h Fig : Evolution dans le temps et intensité du retrait plastique en fonction de la vitesse du vent et de la cure. Après environ 2 heures, le béton en surface est desséché sur 1 cm de profondeur. 1 béton protégé par un produit de cure enrobage de l armature 35 mm Fig : Influence du taux d évaporation de 0.8 kg/m² h (voir fig ) sur la perte d eau d un béton non protégé. 1 cm de dessiccation de la surface exposée du bétonnage. Au moment de la cure, le béton du début de l étape est déjà mis en place depuis plusieurs heures alors que le béton de la fin de l étape vient d être mis en place et ne subit pratiquement pas de retrait plastique. Pour éviter la fissuration de la surface libre due au retrait plastique, il faut effectuer une cure intermédiaire avant la finition de la surface. Les bétons à faible tendance au ressuage exigent une attention particulière pour éviter une fissuration due au retrait plastique. La figure illustre l évolution dans le temps du retrait plastique en fonction de la vitesse du vent et de la cure. Le retrait plastique d un béton non curé peut atteindre des valeurs de l ordre de 4 mm/m, soit 10 fois plus que celui d un béton ayant bénéficié d une cure. Le risque de fissuration dû au retrait plastique d un béton non protégé est le plus élevé pendant les premières heures après sa mise en place. Prévenir le délavage Le béton frais et le béton jeune doivent être protégés de la pluie et de l eau de pluie ruisselante, afin d éviter que la pâte de ciment ne soit délavée en surface du béton. Ceci réduit non seulement la résistance mais aussi la durabilité de la zone de surface du béton, ce qui se remarque entre autre par un poudrage de la surface altérée. Un recouvrement complet avec des feuilles plastiques ou des nattes permet de prévenir de tels dépôts par le délavage du béton frais et ou du béton jeune Temps [h] Eviter des changements rapides de température et d importants gradients de température Le béton se dilate à la chaleur et se contracte sous l effet du froid. Ces déformations dues aux changements thermiques peuvent créer des contraintes de traction au sein du béton, lorsqu elles sont entravées ou en cas de gradients de température importants dans un élément d ouvrage. Des fissures se forment lorsque la résistance à la traction du béton est dépassée. Une protection à l aide de nattes thermiques ralentit la baisse de température en surface du béton. Empêcher des vibrations précoces nocives Les vibrations, dues p. ex. au trafic routier, ferroviaire ou aux travaux de battage pendant le raidissement et la prise du béton, peuvent provoquer des microfissures dans la pâte de ciment et perturber son adhérence aux barres d armature. Il est recommandé d éviter de telles sollicitations durant 36 heures après le bétonnage. Eviter des efflorescences Lorsque le béton sèche très vite, la solution interstitielle chargée en sels dissous est transportée par voie capillaire à la surface du béton. Après évaporation de l eau, les sels précipitent à la surface du béton, formant des taches blanchâtres et inesthétiques (voir chapitre 8.3). Le recouvrement du béton jeune avec une feuille plastique permet de réduire le risque d apparition d efflorescences. Garantir le degré d hydratation de la zone de surface du béton Le degré d hydratation du ciment potentiellement atteignable dépend du rapport E/C et des conditions d humidité du béton. Il faut éviter une dessiccation précoce pour garantir que le degré d hydratation ne soit pas affecté notamment dans la zone de surface du béton. Pour cela, des mesures de protection sont à prendre comme, entre autres, le recouvrement du béton jeune avec des feuilles plastiques, mais aussi l arrosage continu avec de l eau. Holcim guide pratique du béton 91

237 3. Du béton frais au béton durci 3.6 Cure Types de cure Le mode de cure optimal dépend principalement des conditions environnantes (température, vent, soleil). Le tableau en donne un aperçu. Le recouvrement au moyen d une feuille plastique (fig ) est une mesure simple et efficace pour éviter la dessiccation du béton. Mais la feuille plastique doit être assurée contre un éventuel soulèvement par le vent. De plus, elle risque de laisser des traces en surface du béton. Le recours à un produit de cure (fig ), généralement à base de paraffine, réduit également l évaporation de l eau. Cependant, pour être efficace, le produit de cure doit être appliqué sur une surface de béton humide mate. Bien que cette couche de protection ait tendance à se résorber avec le temps, elle peut poser des problèmes de compatibilité lors de l application ultérieure de couches de peinture ou d une imprégnation hydrofuge. L arrosage de la surface du béton avec de l eau est une mesure fréquemment utilisée. L eau doit être finement vaporisée pour que la surface ne soit pas délavée. La vaporisation doit se faire sans interruption afin d éviter un choc thermique provoqué par l eau froide sur la surface chaude du béton et risquer d induire une fissuration Exigences relatives à la cure La norme SIA 262 définit quatre classes de cure (NBK), basées sur un pourcentage de la résistance à la compression caractéristique à 28 jours, qui doit être atteinte dans la zone de surface à la fin de la cure. Ces classes sont à spécifier par l auteur du projet en tenant compte des conditions environnantes de l ouvrage. Le tableau donne une corrélation approximative entre les classes d exposition et les classes de cure. L évolution de la résistance à la compression, dans la zone de surface du béton, est déterminée à l aide des méthodes décrites au chapitre En l absence de données disponibles pour le béton utilisé, il est possible de se référer au tableau 3.6.3, qui offre une détermination simple des durées de cure minimales en fonction de la classe de cure et de l évolution de la résistance du béton à 20 C. La température de l air mesurée le matin à 7.00 heures à l ombre peut être utilisée comme alternative à la température de surface du béton. Tant qu il n existe pas de résultats précis de l évolution de la résistance à la compression du béton employé sur la base de calculs adéquats (valeurs estimées fiables) et qu on n entreprend pas de contrôles lors de l exécution, les valeurs minimales de la durée de cure du tableau doivent être respectées. L évolution de la résistance à la compression d un béton est décrite à l aide du rapport r (rapport des résistances à la compression moyennes à 2 jours et à 28 jours: r = f c2 /f c28 ) (voir tableau 3.8.2). Ces valeurs peuvent être influencées par le type et le dosage des adjuvants employés. Fig : Recouvrement d une dalle en béton au moyen d une feuille plastique. Fig : Vaporisation d un produit de cure. 92 Holcim guide pratique du béton

238 Type Mesures Température ambiante [ C] couvrir avec une feuille étanche à la vapeur d eau / appliquer un produit de cure (curing compound) + mouiller avec de l eau + isolation thermique recouvrir ou appliquer un produit de cure et en complément: mouiller les coffrages en bois protéger les coffrages métalliques contre l ensoleillement direct recouvrir et mouiller les surfaces nues de béton coffré recouvrir ou appliquer un produit de cure, évtl. mêmes mesures supplémentaires que ci-dessus recouvrir ou appliquer un produit de cure, pose d une isolation thermique 1) utilisation judicieuse d un coffrage isolant thermiquement (p. ex. bois), attacher des nattes isolantes aux coffrages métalliques recouvrir ou pose d une isolation thermique 1) confiner le lieu de bétonnage (tente), évtl. chauffage (p. ex. à rayonnement) et en complément: maintenir la température du béton pendant au moins 3 jours à +10 C inférieure à 3 X 3 à à à +15 X +15 à +25 (X) 2) X X X supérieure à 25 X Tab : Mesures de cure et de protection pour différentes températures ambiantes. mouiller avec de l eau / arrosage maintenir un film d eau visible à la surface du béton (X) X X 1) ne pas mouiller; protéger de l eau de condensation / de pluie 2) judicieux en cas de conditions défavorables (p. ex. vent fort) et des classes d exposition XD, XF Exigences Conditions environnantes Classe d exposition correspondante Classe de cure (NBK) Pourcentage nécessaire de la valeur spécifiée de la résistance à la compression caractéristique à 28 jours, atteinte à la fin de la cure Tab : Spécification de la classe de cure en fonction du niveau d exigences. néant NBK 1 1) normales pas d exigences concernant l étanchéité p. ex. XC2 NBK 2 35 % élevées exposé aux intempéries p. ex. XC4 NBK 3 50 % hautes elément d ouvrage fortement exposé (gel, sel de déverglaçage) avec une longue durée de service, une haute résistance à l abrasion p. ex. XD3, XF4 NBK 4 70 % 1) Pour la classe de cure 1 la durée de cure doit être au moins de 12 heures. Ceci à condition que la durée de prise du béton n excède pas 5 heures et que la température du béton en surface soit au moins de 5 C. Evolution de la résistance du béton à 20 C selon SN EN Durée minimale de la cure [jours] 1) rapide moyenne lente très lente r > r > r 0.15 r < 0.15 Tab : Valeurs indicatives relatives à la durée minimale de cure. Classe de cure (NBK) Température de la surface du béton 3) [ C] T > T > T > T 5 2) ) Pour une durée d ouvrabilité de plus de 5 heures, la durée de la cure doit être prolongée de manière adéquate. 2) Pour des températures < 5 C, la durée de la cure doit être prolongée du temps durant lequel la température < 5 C. 3) La température de l air mesurée le matin à 7.00 heures à l ombre peut être utilisée en alternative. exigences particulières à définir Holcim guide pratique du béton 93

239 3. Du béton frais au béton durci 3.6 Cure Effets de la cure sur les propriétés du béton durci Toutes les propriétés essentielles du béton durci dépendent du degré d hydratation du ciment et peuvent être fortement amenuisées par une cure faisant totalement défaut ou par une cure insuffisante. Leurs effets sont illustrés à l exemple des propriétés suivantes: résistance à la compression absorption d eau capillaire carbonatation Résistance à la compression La figure montre l influence de la durée de cure sur la résistance à la compression de la zone de surface du béton. Un béton ayant subi un traitement de cure humide de sept jours possède après 90 jours une résistance à la compression presque deux fois plus élevée qu un béton non curé. On observe également un développement continu de la résistance qui se stabilise à la fin du traitement de la cure humide. La cure est extrêmement importante pour les éléments d ouvrage dont on exige une haute résistance à l abrasion. En absence de cure, la résistance à la compression du béton n est pas seulement amoindrie en surface, mais sur toute la section. La résistance à la compression d un béton (sorte de béton B) a été mesurée sur des cubes de longueur d arête de 150 mm, conservés de deux manières différentes (I et II selon tab ). La première série (I) a été conservée jusqu à 28 jours dans des conditions optimales conformément à la norme, soit sous l eau à 20 C. La deuxième série (II) a été conditionnée à une température de 30 C durant 3 jours puis exposée jusqu à 28 jours à l air à une température de 20 C (mauvaise cure). Les résistances à la compression du béton ayant subi une mauvaise cure sont en moyenne 6 N/mm 2 inférieures à celles du béton bénéficiant d une très bonne cure, ce qui correspond approximativement à une classe de résistance. Cette différence entre les résistances à la compression augmente encore jusqu à 10 N/mm 2 à l âge de 90 jours. Le béton conservé sous l eau affiche une montée en résistance de 16 % entre 28 et 90 jours, tandis que le béton conservé à l air ne présente qu une très faible montée en résistance. Cette comparaison démontre l importance de la conservation correcte des éprouvettes confectionnées sur le chantier. Absorption d eau capillaire La capillarité du béton (sorte de béton B) a été déterminée pour deux types de conservation (III et IV) souvent rencontrés dans la pratique (tab ). Le type de conservation III correspond à un recouvrement avec une feuille plastique pendant 1 jour après le bétonnage suivi d une conservation jusqu à 28 jours à une température de 20 C et une humidité relative de l air de 85 % (bonne cure). Pour la conservation du type IV, le béton n a pas été recouvert avec une feuille plastique, mais exposé pendant 8 heures à un fort courant d air. Ensuite le béton a été conservé jusqu à 28 jours à l air à une température de 20 C et 40 % d humidité relative de l air (aucune cure). L éprouvette conservée de manière optimale montre une pénétration régulière du front d eau sur toute sa hauteur de 12.6 mm en moyenne. Pour l éprouvette conservée dans des conditions défavorables, la profondeur de pénétration moyenne dépasse la valeur précédente d environ 5 mm. La profondeur de pénétration maximale de 25 mm est nettement supérieure à celle du béton bien curé et atteint quasi le niveau de l armature, aggravant le risque de corrosion de l armature (voir chapitre 3.10). Fig : Influence du traitement de cure humide sur le développement de la résistance à la compression dans la zone de surface du béton (0 10 mm). Résistance à la compression relative [%] ambiance humide en permancence cure humide pendant 7 jours sans cure humide Type de conservation Série I 3 jours en chambre humide (T = 20 C; HR = 85 %), décoffrage après 3 jours, ensuite conservation sous l eau à 20 C Série II 3 jours à l étuve (T = 30 C, HR = 85 %), décoffrage après 3 jours, ensuite conservation à l air (T = 20 C, HR = 40 %) Résistance à la compression à 28 jours [N/mm 2 ] 36.0 (100 %) 30.2 (84 %) à 90 jours [N/mm 2 ] 41.9 (116 %) 31.7 (88 %) Âge du béton [jours] Tab : Résistance à la compression sur cube à 28 et à 90 jours pour un béton (sorte de béton B) avec deux types différents de cure. 94 Holcim guide pratique du béton

240 Type de conservation Série III protection avec une feuille plastique immédiatement après le bétonnage, suivie d une conservation en chambre humide (T = 20 C, HR = 85 %) Série IV sans feuille de protection plastique, exposition après confection pendant 8 heures sous un fort courant d air, suivie d une conservation à l air (T = 20 C, HR = 40 %) Eprouvette à la fin de l essai d absorption direction de pénétration de l eau Profondeur de pénétration capillaire maximum = 14.0 mm moyenne = 12.6 mm maximum = 25.0 mm moyenne = 17.7 mm Tab : Absorption d eau capillaire d un béton ayant subi un traitement de cure optimal et d un béton non curé et conservé dans des conditions défavorables. Type de conservation Série III protection avec une feuille plastique immédiatement après le bétonnage, suivie d une conservation en chambre humide (T = 20 C, HR = 85 %) Carbonatation naturelle après 90 jours Eprouvettes après 9 jours de carbonatation accélérée Tab : Carbonatation d un béton ayant bénéficié d une bonne cure et d un béton non curé dans des conditions défavorables. Série IV sans feuille de protection plastique, exposition après confection pendant 8 heures sous un fort courant d air, suivie d une conservation à l air (T = 20 C, HR = 40 %) Carbonatation La carbonatation d un béton (sorte de béton B) a été déterminée pour les deux types de conservation (III et IV) proches de la pratique, déjà testés pour leur effet sur la capillarité, mais prolongés jusqu à l âge de 90 jours (tab ). La profondeur de carbonatation a été mesurée après une carbonatation naturelle (0.03 % CO 2 ) jusqu à l âge de 90 jours puis après 9 jours de carbonatation accélérée à 100 % CO 2. 9 jours de carbonatation accélérée correspondent à peu près à 75 ans de carbonatation naturelle. Une nette différence s observe déjà après 90 jours, même avant le début de l essai de carbonatation accélérée, en fonction du type de traitement de cure. L éprouvette placée en milieu humide possède une profondeur de carbonatation initiale de 1 à 2 mm, tandis que celle de l éprouvette non curée atteint 7 à 8 mm. Les effets de l absence d une cure apparaissent encore plus clairement après la carbonatation accélérée. La profondeur de carbonatation du béton non curé atteint en moyenne 35 mm. Holcim guide pratique du béton 95

241 3. Du béton frais au béton durci 3. Du béton frais au béton durci 3.7 Bétonnage sous des conditions météorologiques extrêmes 3.7 Bétonnage sous des conditions météorologiques extrêmes Température du béton frais La température du béton frais influe sur le raidissement, sur l ouvrabilité et sur la prise du béton. La température du béton frais relève d une importance particulière tant sous de fortes chaleurs que par temps froid et sous des conditions de gel. Il est possible de calculer la température du béton frais à partir de la masse, de la température T et de la capacité thermique c des composants individuels du béton: La température du granulat a le plus grand impact sur la température du béton, tandis que la température du ciment et de l eau n a qu une influence relativement faible. Un changement de 1 K de la température du béton frais d un béton courant avec 300 kg/m 3 ciment, 1900 kg/m 3 granulat (sec) et 150 kg/m 3 eau est obtenu en variant: la température du granulat d env. 1.6 K ou la température de l eau de 4 K ou la température du ciment de 10 K C c T b,fr = c T + G c T + E c T c g g e e C c c + G c g + E c e C teneur en ciment [kg/m 3 ] G teneur en granulat [kg/m 3 ] E teneur en eau [kg/m 3 ] c c capacité thermique spécifique du ciment [kj/(kg K)] (valeur de calcul: 0.84 kj/(kg K)) c g capacité thermique spécifique du granulat [kj/(kg K)] (valeur de calcul: 0.84 kj/(kg K)) c e capacité thermique spécifique de l eau [kj/(kg K)] (valeur de calcul: 4.19 kj/(kg K)) T c température du ciment [ C] T g température du granulat [ C] T e température de l eau [ C] T b, fr température du béton frais [ C] Eq Exemple 18: Calcul de la température du béton frais Un béton est composé de 300 kg de ciment avec T c = 35 C, 1950 kg de granulat (sec) avec T g = 15 C et 150 kg de l eau de gâchage avec T e = 12 C. La température du béton frais est selon l équation 3.7.1: T b,fr = = 16.3 C et selon l équation 3.7.2: T b,fr = = 16.4 C La température du béton frais peut être calculée d une manière simplifiée, mais suffisamment précise avec la formule approchée suivante: T b,fr = 0.1 T c T g T e Eq Normalement, la température absolue d un élément d ouvrage est indiquée en C contrairement aux changements de température indiqués en Kelvin (K). Pour des raisons de simplification 1 C équivaut à 1 K dans le calcul ci-dessus. Mesures pour abaisser la température du béton frais stockage à l ombre du granulat ou refroidissement des gravillons par un arrosage d eau (voir chapitre 7.8) utiliser de l eau de gâchage additionnée de glace en morceaux (réduire la quantité d eau de gâchage en conséquence) refroidir la gâchée ou les composants individuels avec de l azote liquide parquer les véhicules de transport à l ombre Mesures pour élever la température du béton frais (exemple 19) chauffer l eau de gâchage (eau chaude) chauffer le granulat 96 Holcim guide pratique du béton

242 Exemple 19: Calcul de la température de l eau de gâchage La température nécessaire de l eau de gâchage est calculée pour un béton frais dont la température doit atteindre environ 20 C lors des bétonnages hivernaux. La température du ciment et du granulat est de 5 C. T T e = b,fr 0.1 T c 0.7 T g = T e = 80 C Réistance à la compression relative [%] à 28 jours Fig : Evolution de la résistance à la compression du béton à l âge de 1 et 28 jours en fonction de la température. L eau de gâchage doit avoir une température de 80 C pour obtenir la température de béton frais exigée. L eau ayant une température supérieure à 70 C doit être mélangée d abord avec le granulat, avant d introduire le ciment dans le malaxeur, afin d éviter que le ciment ne se raidisse. 25 à 1 jour Température [ C] Bétonnage par temps chaud En comparaison avec des températures de béton frais de 15 C à 20 C, les températures élevées (> 25 C) affectent les propriétés du béton frais et du béton durci. Les raisons principales sont: l hydratation du ciment s accélère lorsque la température s élève et provoque un raidissement plus rapide du béton, donc un raccourcissement du temps d ouvrabilité. plus la température est élevée pendant le processus de durcissement, plus l hydratation du ciment progresse rapidement. Ceci a initialement un effet positif sur le développement de la résistance. Or, les produits d hydratation se forment et se répartissent de manière plus hétérogène, p. ex. sous forme d aiguilles d ettringite plus courtes, et la porosité de la pâte de ciment devient plus grossière. De ce fait, la résistance à la compression à 28 jours ou plus est plus basse que celle d un béton frais qui durcit à env. 20 C. L expérience montre que la perte de résistance à 28 jours peut atteindre environ 10 %, lorsque les températures du béton frais et durant le durcissement s élèvent de 20 C à 30 C (fig ). reporter le bétonnage à un moment plus frais de la journée (tôt le matin ou durant la nuit) utiliser des retardateurs de prise, qui retardent l hydratation du ciment et prolongent le temps d ouvrabilité. A noter qu ils ne sont pas efficaces contre un raidissement prématuré par dessiccation du béton et qu ils exigent une durée de cure prolongée tenir compte des temps de transport du béton au moyen d une marge de consistance lors de la confection du béton. Mise en place et compactage Mise en place et compactage mise en œuvre la plus rapide possible du béton frais familiariser les ouvriers du chantier avec les particularités et les exigences du bétonnage par temps chaud si l ouvrabilité du béton est insuffisante, renoncer à un rajout d eau et améliorer la consistance à l aide d un fluidifiant Une conservation constante à des températures nettement supérieures à 20 C augmente considérablement les résistances au jeune âge mais abaisse la résistance à la compression à 28 jours. L'influence inverse s'observe pour des basses températures. Selon la norme SIA 262 des mesures de protection particulières sont à prendre si la température du béton frais dépasse 30 C. Ces mesures de protection doivent comprendre la planification et la préparation des travaux de bétonnage jusqu à la fin du traitement de cure, p. ex.: Holcim guide pratique du béton 97

243 3. Du béton frais au béton durci 3.7 Bétonnage sous des conditions météorologiques extrêmes Creux de l été Pendant la période d été, on observe souvent une baisse de l ordre de quelques N/mm 2 des valeurs moyennes de la résistance à la compression à 28 jours ce phénomène est appelé creux de l été, tandis que l ouvrabilité du béton reste quasi constante durant le temps d observation (fig ). Résistance à la compression à 28 jours [N/mm 2 ] Indice de serrage selon Walz [-] mars avril mai juin juillet août. sept. oct. Fig : Relevé typique de la résistance à la compression et de l ouvrabilité durant une période d été. Données du contrôle de qualité d une centrale à béton. Exemple 20: Estimation de la perte de résistance à la compression par un ajout ultérieur d eau et une conservation des éprouvettes non conforme à la norme Réduction de la consistance initiale a 0 d un béton d env. a = mm lors d une élévation de la température de T = 20 C à T = 30 C. La perte de consistance du béton frais est supposée constante dans le temps pour les deux températures. Amélioration de la consistance par un ajout d eau supplémentaire (voir tab ) a = 40 mm e = +20 l/m 3 Perte de résistance à la compression à 28 jours (voir tab et fig ) e = +20 l/m 3 f c,cube = 8 N/mm 2 Conservation des éprouvettes sur le chantier non conforme à la norme (voir chap ) f c,cube = 6 N/mm 2 La baisse de la résistance à la compression à des températures élevées peut être encore accentuée sur le chantier si l ouvrabilité est augmentée par un ajout ultérieur d eau et/ou si les éprouvettes ne sont pas conservées conformément à la norme. Règle pratique L ajout de 10 litres d eau par m 3 de béton entraîne une perte de résistance à la compression à 28 jours qui peut atteindre jusqu à 5 N/mm 2. Il est possible d empêcher le phénomène du creux de l été en adaptant la formulation du béton, en évitant de hautes températures du béton frais et un ajout ultérieur d eau ainsi qu en assurant une conservation des éprouvettes à une température de 20 C Bétonnage par temps froid Les basses températures entraînent un ralentissement du raidissement et du développement de la résistance à la compression et engendrent un risque de gel de l eau non liée dans le béton. Fig : Nattes thermiques protégeant le béton jeune de la dessiccation et du refroidissement. Ralentissement du raidissement et du développement de la résistance à la compression Le raidissement ralentit avec l abaissement de la température et prolonge non seulement le temps d ouvrabilité du béton, mais aussi le temps pendant lequel il est sujet aux dégâts de gel. La figure illustre la montée en résistance du béton à différentes températures. A une température basse de 5 C, la résistance au jeune âge à 2 et à 7 jours n atteint que la moitié de celle d un béton similaire à une température de 20 C. Avec le temps, les deux courbes d évolution se rapprochent mais, même à 28 jours, la résistance à la compression du béton conservé à 5 C reste encore inférieure et n atteint qu après 50 à 90 jours celle du béton conservé à 20 C. 98 Holcim guide pratique du béton

244 Résistance à la compression relative [%] C +5 C Temps [jours] Fig : Montée relative en résistance du béton en fonction de la température. Congélation du béton jeune Le béton doit être protégé du gel jusqu à ce qu il ait atteint une résistance à la compression d au moins 5 N/mm 2. Cette résistance est appelée la résistance à la congélation. En général, le béton jeune peut subir sans conséquences majeures un ou deux cycles de gel. Par contre, des cycles de gel-dégel répétés peuvent entraîner des dégradations significatives de la structure du béton. Un béton ainsi dégradé perd sa capacité de portance et doit être remplacé. Rapport E/C [-] C +20 C +5 C Temps [h] CEM 42,5 CEM 52,5 Fig : Temps nécessaire au développement d une résistance à la congélation suffisante du béton (résistance à la compression du béton 5 N/mm 2 ) en fonction du rapport E/C pour différentes températures de béton et type de ciment. +5 C La figure montre en fonction du type de ciment, de la classe de résistance du ciment, du rapport E/C et de la température du béton, le temps nécessaire pour obtenir une résistance à la congélation 5 N/mm 2. Il faut compter environ 100 heures pour un béton de la sorte de béton A (E/C = 0.65, CEM 42,5). Pour un béton de la sorte de béton C (E/C = 0.50, CEM 42,5) la résistance nécessaire est atteinte au bout de 50 heures. Le bétonnage par temps froid nécessite donc des mesures supplémentaires lors de la production et de la mise en place du béton. En l absence de dispositions particulières, la norme SIA 262 précise que la température du béton frais au moment de la mise en place ne doit pas descendre au dessous de + 5 C. Mesures lors de la production du béton Par temps froid, les mesures suivantes, prises au stade de la production déjà, peuvent améliorer la montée en résistance et en température: élever la température du béton frais par le chauffage ciblé de l eau de gâchage et/ou du granulat (le granulat ne doit pas contenir d éléments gelés) choisir un ciment d une classe de résistance élevée (Normo 5R) accélérer le développement des résistances par l introduction d un accélérateur de durcissement (HBE) et l augmentation du dosage en ciment abaisser le rapport E/C en ajoutant un fluidifiant (FM) Mesures sur le chantier Le bétonnage par basses températures impose également des mesures adéquates sur le chantier: Il est proscrit de bétonner sur un sol gelé ou contre du béton gelé; le cas échéant, il faut prévoir une «couche sacrificielle». Lorsque la température de l armature est inférieure à 1 C, il faut éviter, par un apport de chaleur, la formation de glace pendant le bétonnage qui pourrait affecter son adhérence au béton. Le béton préchauffé doit être mis en place rapidement dans le coffrage libéré de glace et de neige et compacté sans délai. Immédiatement après sa mise en place, protéger le béton des déperditions de chaleur, afin de maintenir le développement de la chaleur d hydratation propre au ciment. La solution la plus simple consiste à utiliser des coffrages en bois possédant des propriétés d isolation thermique. Le béton fraichement décoffré doit être couvert de nattes thermiques (fig ). Protéger également le béton contre la dessiccation pendant toute la période de durcissement. Par temps froid et/ou sec, l humidité relative de l air est très basse. Prolonger les délais de décoffrage. Si pendant le durcissement la température du béton s abaisse en dessous du point de congélation, il faut prolonger les délais de décoffrage au minimum d une durée correspondante au nombre de jours de gel. Holcim guide pratique du béton 99

245 3. Du béton frais au béton durci 3.8 Propriétés mécaniques du béton durci 3.8 Propriétés mécaniques du béton durci Tab : Résistance à la compression de quelques matériaux courants Résistance à la compression Généralités La résistance décrit la charge nécessaire à la rupture du matériau rapportée à la surface d application de cette charge. La résistance à la compression correspond donc à la contrainte de compression que le béton peut supporter. La résistance à la compression constitue la principale, voire souvent la seule caractéristique exigée d'un béton durci. Selon sa composition le béton peut présenter une résistance à la compression modérée, proche de celle d une brique en terre cuite ou d'un bois tendre. Elle peut également atteindre une valeur élevée, équivalente à celle obtenue sur un acier de construction courant (tab ). Matériau Résistance à la compression [N/mm 2 ] Brique de terre cuite Bois tendre Roche dure Mortier 5 25 Béton Béton à haute résistance Béton fibré à ultra-hautes performances La résistance à la compression du béton est essentiellement régie par les propriétés de la pâte de ciment, du granulat et de leur adhérence (voir aussi chap ). Dans le cas d une mauvaise adhérence, par exemple en cas d utilisation de granulats mal lavés, cette zone de transition va constituer un «maillon faible» et influencer négativement les propriétés mécaniques du béton. Par contre, l emploi de granulats concassés ou l utilisation d additions au ciment réactives et finement moulues, telles que la fumée de silice ou le schiste calciné, permettent une nette amélioration de l adhérence entre les granulats et la pâte de ciment, donc des propriétés mécaniques du béton (fig ). Une haute densité de la zone de transition entre les granulats et la pâte de ciment et l emploi de granulats durs constituent des conditions indispensables à l obtention d'un béton à haute résistance (voir aussi chapitre 7.2). La résistance à la compression n est pas seulement influencée par la composition du béton, mais aussi par la mise en œuvre et le traitement de cure du béton (voir aussi chapitre 3.3 à 3.7). Essai de la résistance à la compression La résistance à la compression est généralement mesurée à l aide d éprouvettes confectionnées à part, p. ex. des cubes, cylindres, prismes, ou des carottes. Elle est influencée par: l élancement de l éprouvette, rapport entre hauteur (h) et largeur (l) ou diamètre (d) la vitesse d augmentation de la charge la taille de l éprouvette (par rapport au diamètre maximal du granulat) la teneur en eau et le parallélisme des plans des éprouvettes En Suisse, l essai est réalisé conformément à la norme SN EN , en règle générale sur un cube d une longueur d arête de 150 mm (fig ). Les cubes sont conservés pendant 1 jour dans le moule, puis 27 jours dans l eau à 20 C. La résistance mesurée à l âge de 28 jours constitue la valeur de référence et sert à l attribution d une classe de résistance (tab ). La figure présente la rupture typique d un cube. L essai de compression d un cube sans couches intermédiaires ne permet une dilatation transversale qu en dehors de la double pyramide qui subit une compression transversale. La rupture du béton ne résulte que des contraintes de traction et de cisaillement le long du bord de cette double pyramide, qui elle-même subsiste à l essai (voir fig a). Si la dilatation transversale n est pas entravée par des bielles de compression, le béton se fissure verticalement sous l effet des tractions transversales (fig b). 100 Holcim guide pratique du béton

246 Les éprouvettes avec un élancement h/d > 1 telles que des cylindres ou des prismes donnent de plus faibles résistances à la compression que les cubes avec un élancement h/l = 1. Les résistances à la compression plus élevées proviennent de l effet de frettage plus marqué pour les éprouvettes plus compactes. La figure montre l influence de l élancement de l éprouvette sur la résistance à la compression. On constate qu'à partir d'un élancement de 2, l effet du frettage n influence pratiquement plus la résistance à la compression mesurée. F F Fig : Contraintes de traction transversales (rouge) et de compression (bleu) dans un cube soumis à un essai de compression. L effet de frettage latéral dépend directement de la dilatation latérale (coefficient de Poisson) du béton testé. Le rapport d environ 0.80 entre la résistance sur cylindre et celle sur cube correspondant n est donc valable que pour un béton confectionné avec des granulats courants. Dans le cas d un béton léger, ce rapport atteint une valeur d environ F a) Introduction de la charge par un contact direct entre le plateau de la presse et l éprouvette de béton, avec entrave de la dilatation transversale. b) Introduction de la charge par des bielles de compression évitant tout frottement entre le plateau de la presse et l éprouvette de béton. La dilatation transversale de l éprouvette est ainsi totalement libre. F Cylindre h/d = 2 150mm Cube h/l = 1 Fig : Influence de l élancement de l éprouvette sur la résistance à la compression mesurée. 200mm cas normal 150mm 100mm Résistance à la compression relative [%] Fig.3.8.1: Essai de résistance à la compression sur cube. Fig.3.8.2: Rupture typique d un cube sous forme d une double pyramide. Holcim guide pratique du béton 101

247 3. Du béton frais au béton durci 3.8 Propriétés mécaniques du béton durci Fig : Distribution statistique de la résistance à la compression. Dispersion des valeurs de la résistance à la compression Les essais de résistance à la compression caractérisés par une certaine dispersion des résultats. Lorsqu on effectue un très grand nombre n d essais, on obtient une répartition des résultats de résistance correspondant à une distribution normale de Gauss, définie mathématiquement par sa valeur moyenne f cm et son écart type σ associé (fig ). Distribuition de la fréquence [-] 20 5%-fractile écart-type σ = 32 valeur moyenne f cm = Résistance à la compression [N/mm 2 ] x i n (x i f cm ) 2 (n 1) 95%-fractile x i valeurs individuelles de la résistance à la compression [N/mm 2 ] n nombre de valeurs de mesure [-] Pour le calcul des structures, on définit une valeur de référence claire et unique. Dans la norme SIA 262, on se base sur une valeur caractéristique f ck, correspondant au fractile 5 %. Ceci signifie que si l on effectue un nombre infini d essais de résistance à la compression, 5 % des résultats seront plus petits et 95 % plus grands que f ck. Ce fractile de 5 % sert actuellement de base à la définition des classes de résistance à la compression du béton dans la norme SIA 262. Une classe de résistance C30/37 signifie p. ex.: 30 N/mm 2 : résistance caractéristique à la compression sur cylindre (fractile 5 %) 37 N/mm 2 : résistance caractéristique à la compression sur cube (fractile 5 %) La valeur du fractile se calcule à partir du facteur k valable pour toute distribution normale de Gauss. Pour un fractile de 5 %, le facteur k équivaut à En admettant un écart type σ = 4.8 N/mm 2, on obtient la relation suivante entre la valeur moyenne et la valeur caractéristique de la résistance à la compression sur cylindre: Cette relation se base sur des critères statistiques qui admettent implicitement une infinité de résultats. Elle peut être appliquée par des projeteurs dans le cadre d un dimensionnement, mais elle n est pas valable dans le cas d un contrôle de conformité à la centrale à béton ou lors d un essai d'identification sur le chantier. Evaluation de la résistance à la compression à 28 jours La formule semi-empirique de Bolomey permet une estimation de la résistance à la compression à 28 jours. Sur la base de la résistance à la compression d éprouvettes de mortier (pour la mesure de la résistance à la compression des ciments selon la norme SN EN 196-1) et à l aide de quelques facteurs de corrections, les résistances à la compression correspondantes peuvent être calculées pour le béton. En l absence de résultats d essai ou pour une nouvelle formulation de béton, la résistance probable peut être déterminée à l aide de l équation 3.8.2: c f c = K g f nc 0.5 E e ff + A f c résistance à la compression sur cube [N/mm 2 ] K g coefficient dépendant du type de granulat employé [-] pour les granulats du plateau suisse, la valeur de K g est égale à 0.60 pour un granulat roulé et égale à 0.80 pour un granulat concassé f nc résistance à la compression du mortier selon SN EN [N/mm 2 ] en une première approximation, on peut admettre respectivement des résistances de 40, 50 et 60 N/mm 2 pour les ciments des classes de résistance 32,5; 42,5 et 52,5 C teneur en ciment [kg/m 3 ] E eff teneur en eau efficace [l/m 3 ] A teneur en air [l/m 3 ]. la teneur en air se situe normalement entre 5 et 25 l/m 3. Eq La formule s applique aux bétons courants avec un rapport E/C entre 0.40 et Pour les bétons dont la résistance moyenne à la compression sur cube dépasse 70 N/mm 2, le granulat peut devenir l élément le plus faible et la formule de Bolomey n est plus valable. Une autre possibilité d évaluation est offerte par les courbes de Walz (fig ). Elles permettent une estimation rapide de la résistance à la compression à 28 jours d un béton en fonction du rapport E/C et des différentes classes de résistance des ciments. f ck = f cm k σ = f cm f cm 8 N/mm 2 Eq Holcim guide pratique du béton

248 Optimo 4 Robusto 4R-S Normo 4 Normo 5R Ciment Portland composé Ciment Portland composé Ciment Portland Ciment Portland CEM II/B-M (T-LL) 42,5 N CEM II/B-M (S-T) 42,5 R CEM I 42,5 N CEM I 52,5 R résistance à la compression du béton à l âge de 28 jours [N/mm²] rapport E/C résistance à la compression du béton à l âge de 28 jours [N/mm²] rapport E/C résistance à la compression du béton à l âge de 28 jours [N/mm²] rapport E/C résistance à la compression du béton à l âge de 28 jours [N/mm²] rapport E/C Fig : Résistance à la compression du béton en fonction du rapport E/C et pour des ciments de différentes classes de résistance (âge 28 jours, confection conforme à la norme, conservation à 20 C). Bisolvo 3R Albaro 5R Fortico 5R Modero 3B Ciment Portland composé Ciment Portland blanc Ciment Portland à la fumée de silice Ciment au laitier CEM II/B-M (V-LL) 32,5 R CEM I 52,5 N CEM II/A-D 52,5 R CEM III/B 32,5 N-LH/SR résistance à la compression du béton à l âge de 28 jours [N/mm²] rapport E/C résistance à la compression du béton à l âge de 28 jours [N/mm²] rapport E/C résistance à la compression du béton à l âge de 28 jours [N/mm²] rapport E/C résistance à la compression du béton à l âge de 28 jours [N/mm²] rapport E/C Evolution de la résistance à la compression L évolution de la résistance à la compression décrit la montée en résistance selon l âge du béton. Elle est importante pour les délais de décoffrage, la durée de cure, la mise en tension de la précontrainte, le déroulement de la construction et le moment de mise en charge. Elle est décrite à l aide des résistances correspondant à différents âges, p. ex. 2, 7, 28, 56, 90 et 180 jours, exprimées en fonction de la résistance à la compression à 28 jours. Le classement de la vitesse de l évolution de la résistance à la compression d un béton à 20 C figure au tableau 3.8.2, sur la base d une estimation du rapport des résistances selon SN EN Le rapport des résistances correspond au rapport entre la résistance moyenne à la compression à 2 jours (f c2 ) et la résistance moyenne à la compression à 28 jours (f c28 ). Il doit être déterminé lors de l essai initial ou sur la base du rapport connu d autres bétons de composition comparables (p. ex. même ciment, même rapport E/C). L évolution de la résistance dépend non seulement de l évolution de la résistance de la pâte de ciment, c.-à-d. du rapport E/C et du degré d hydratation, mais aussi des conditions de mise en œuvre et météorologiques. Développement de la résistance rapide 0.5 Rapport f cm,2 /f cm,28 moyen 0.3 à < 0.5 lent 0.15 à < 0.3 très lent < 0.15 Tab : Evolution de la résistance du béton et rapport des résistances à une température de 20 C. Holcim guide pratique du béton 103

249 3. Du béton frais au béton durci 3.8 Propriétés mécaniques du béton durci Estimation de l évolution de la résistance à la compression La méthode techniquement la plus simple pour déterminer l évolution de la résistance, mais demandant le plus grand effort de réalisation, consiste à confectionner des éprouvettes de béton conservées sous des conditions identiques à celles du béton de l ouvrage, et de mesurer à des intervalles précis la résistance à la compression. La résistance à la compression de telles éprouvettes est généralement plus faible que celle du béton de l ouvrage à un moment donné. Ceci est dû à l effet positif apporté par le plus grand volume du béton de l ouvrage sur l évolution de la résistance. Mesure au scléromètre en surface du béton La résistance à la compression du béton peut aussi être estimée à l aide d un scléromètre. Cet appareil mesure le rebond d une masse projetée contre la surface du béton et permet ainsi d obtenir de façon indirecte la résistance à la compression. Cette méthode a l avantage d être simple, rapide et non destructive, mais elle ne permet qu une estimation de la résistance d une zone proche de la surface du béton et elle est sujette à une grande variabilité des résultats. Pour estimer la résistance à la compression, un étalonnage, basé sur des résultats d essais de compression, p. ex. sur carottes, est nécessaire. Souvent on fait également appel à des méthodes non destructives, qui se basent sur une relation empirique ou physique entre la valeur de mesure et la résistance à la compression. Des estimations détaillées de l évolution de la résistance du béton sont possibles moyennant l'emploi d une des méthodes suivantes: le calcul de l évolution de la résistance sur la base de mesures de température le calcul de l évolution de la résistance sur la base d une simulation numérique la mesure au scléromètre en surface du béton Une autre possibilité d estimer l évolution de la résistance à long terme est offerte par le calcul selon le CEB-fib Model Code L évolution de la résistance de bétons normaux et lourds peut être calculée sur la base de la résistance à la compression moyenne à 28 jours. Le coefficient dépendant de l âge t du béton ß cc (éq ) tient compte, par l intermédiaire d un coefficient s, de la classe de résistance du ciment. Pour une conservation à une température de 20 C, on applique: f cm (t) = ß cc (t) f cm28 Calcul de l évolution de la résistance sur la base de mesures de température L influence de la température sur l évolution de la résistance peut être exprimée approximativement par la maturité, respectivement le degré de maturité R. La mesure de l historique des températures du béton de l ouvrage à l aide de sondes thermiques implantées dans le béton permet de déterminer l évolution de la résis - tance en tenant compte des conditions de température pendant la conservation des éprouvettes. Connaissant la montée en résistance du béton à une température constante donnée (en principe 20 C), il est ainsi possible, par extrapolation, de déterminer la résistance effective du béton de l ouvrage. Cette méthode permet de considérer les paramètres liés à la température tels que la température du béton frais, la température ambiante, la géométrie de l élément d ouvrage et le traitement de cure. Eq ß cc = exp Eq s 1 28 ½ t f cm (t) résistance à la compression moyenne à un âge t en jours [N/mm 2 ] f cm28 résistance à la compression moyenne à un âge de 28 jours [N/mm 2 ] ß cc (t) coefficient dépendant de l âge t du béton t âge du béton [j] s coefficient dépendant du type de ciment: s = 0.20 pour CEM 52,5 N, CEM 42,5 R s = 0.25 pour CEM 42,5 N et CEM 32,5 R s = 0.38 pour CEM 32,5 N Calcul de l évolution de la résistance sur la base d une simulation numérique Il s agit d une simulation numérique de la méthode présentée au point précédent. Dans le cas présent, l historique des températures atteintes dans la section de béton n est pas mesuré, mais simulé numériquement en se basant sur la chaleur d'hydratation du ciment, la géométrie, une température admise du béton frais et les conditions cadre (cure, isolation du coffrage, température ambiante). Une telle simulation numérique n est réalisée par des spécialistes que dans des cas exceptionnels. Les résultats donnés par les équations et sont générés numériquement dans le tableau Ces résultats sont approximatifs car ils ne considèrent ni la composition effective ni les conditions de mise en place et de cure du béton. 104 Holcim guide pratique du béton

250 Âge t [j] Rapport f cm (t)/f cm28 s = 0.20 s = 0.25 s = Tab : Evolution de la résistance selon CEB-fib Model Code Le béton possède encore au-delà d un âge de 28 jours un potentiel de durcissement. L ampleur de ce durcissement à long terme varie notablement en fonction du type de ciment, de la composition du béton et d autres facteurs d influence. Il sera d autant plus grand en comparaison avec la résistance à la compression à 28 jours que le ciment durcit lentement et que les conditions de conservation sont humides et de basse température. bétons avec des granulats concassés possèdent en général une résistance à la traction de 10 % à 20 % plus élevée que les bétons similaires avec un granulat roulé. Le mode et le niveau de rupture d une éprouvette de béton sollicitée en traction sont essentiellement dictés par les facteurs microstructuraux, tels que: des défauts de compactage une mauvaise adhérence de la pâte de ciment au granulat des microfissures dans la pâte de ciment et/ou dans le granulat des pores d air Habituellement, on obtient une rupture en traction avec une surface de rupture qui suit la zone de contact entre la pâte de ciment et le granulat. Les granulats sont déchaussés (fig ). Si l on améliore la qualité de la zone de contact, on obtient une résistance à la traction nettement plus élevée. Si elle s approche de celle des granulats, la rupture se produit plutôt au sein du granulat que le long de la zone de contact. Pour un ouvrage spécifique, il est possible de fixer le moment, où la classe de résistance à la compression doit être atteinte, à un âge plus grand que 28 jours. Ceci peut être un avantage pour des éléments massifs de construction, dont on cherche à limiter le développement de la chaleur d hydratation par une lente montée en résistance Résistance à la traction Généralités Sous sollicitation en traction, le béton présente une très faible résistance et un comportement fragile. Généralement, la résistance à la traction est négligée par les concepteurs dans leurs calculs statiques. Ceci nécessite le recours à une armature reprenant intégralement les contraintes de traction dans les zones tendues. Dans certains cas, la résistance à la traction du béton joue cependant un rôle indispensable sur l état limite de rupture d un élément structural, p. ex. en ce qui concerne la résistance à l effort tranchant ou au poinçonnement de dalles dépourvues d'étriers, la transmission des efforts d une barre droite à une autre dans une zone de recouvrement, la diffusion de forces concentrées ainsi que la résistance du cône d arrachement d un ancrage scellé dans le béton. De plus, la vérification de l état limite de service nécessite impérativement de quantifier la résistance à la traction du béton, afin de déterminer l amplitude des zones fissurées de la structure. Fig : Mode de rupture en traction directe d une éprouvette dont les granulats sont principalement déchaussés. La résistance à la traction dépend en partie des mêmes facteurs d influence que la résistance à la compression, c.-à-d. des propriétés de la pâte de ciment durcie et son adhérence au granulat. En conséquence la résistance à la traction augmente lorsque le rapport E/C diminue, mais nettement moins que la résistance à la compression. Les Holcim guide pratique du béton 105

251 3. Du béton frais au béton durci 3.8 Propriétés mécaniques du béton durci Essais de résistance à la traction La résistance à la traction du béton peut être mesurée par des essais de traction directe ou indirectement par des essais de fendage, respectivement de flexion (fig ). Fig : Méthodes d essai de la résistance à la traction. Principe Traction directe T Traction par fendage (essai Brésilien) F Flexion 3 points P Recommandation, respectivement norme Rilem Recommendation CP27 T F SN EN SN EN Eprouvettes cylindre (aussi entaillé) cylindre prisme Charge traction centrée le long de l axe du cylindre compression le long de deux lignes opposées dans le plan axial charge centrée en un point Paramètres T = force de rupture (traction) d = diamètre de l éprouvette F = force de rupture (compression) d = diamètre de l éprouvette L = longueur de l éprouvette P = force de rupture h = hauteur de l éprouvette b = largeur de l éprouvette L = portée entre appuis Résultat de l essai f ct = T d π F c = π d L f c, fendage M P L 6 c = = W 4 b h 2 f c, flexion Corrélation approximative Ordre de grandeur [N/mm 2 ] f c, fendage 1.25 f ct f c,flexion 2.0 f ct Estimation de la résistance à la compression On peut déduire approximativement la résistance à la traction moyenne f ctm d un béton courant (avec fck 50 N/mm 2 ) à partir de sa résistance à la compression selon la norme SIA 262: Les résistances moyennes à la traction, calculées à l aide de l équation sont indiquées dans le tableau pour des classes de résistance à la compression jusqu à C50/60. 2/3 f ctm = 0.3 f ck f ctm résistance moyenne en traction directe [N/mm 2 ] f ck résistance caractéristique à la compression sur cylindre [N/mm 2 ] Eq Tab : Résistance à la traction moyenne en fonction de la classe de résistance à la compression selon la norme SIA 262. Valeur moyenne de la résistance en traction du béton f ctm [N/mm 2 ] Classe de résistance à la compression C16/20 C20/25 C25/30 C30/37 C35/45 C40/50 C45/55 C50/ Holcim guide pratique du béton

252 Dans le CEB-fib Model Code 2010 la résistance à la traction moyenne des classes de résistance à la compression C55/67 et supérieures se calcule selon l équation suivante: f ctm = 2.12 ln( (f ck + f)) f ctm résistance moyenne en traction directe [N/mm 2 ] f ck résistance caractéristique à la compression sur cylindre [N/mm 2 ] f 8 N/mm 2 Contrainte de compression [N/mm 2 ] granulat pâte de ciment E/C = 0.4 mortier béton Fig : Courbes contrainte-déformation du granulat, spécifiques à la pâte de ciment, au mortier et au béton. Eq S il est nécessaire de connaître la résistance caractéristique à la traction du béton, les fractiles de 5 % et de 95 % de la résistance à la traction peuvent être pris en compte, respectivement à 0.7 f ctm et 1.3 f ctm Module d élasticité 10 Généralités Le comportement à la déformation est une caractéristique importante du matériau. Ce comportement est représenté par la courbe contrainte/déformation (allongement). Le module d élasticité d un matériau correspond au rapport contrainte/déformation unitaire. Plus le module d élasticité est élevé, plus la contrainte nécessaire pour déformer le matériau est élevée. Si le matériau a un comportement élastique linéaire, son module d élasticité est une constante et le matériau retrouve exactement sa longueur initiale après retrait de la contrainte. Il suit donc la loi de Hooke: σ = E ε = E l/l σ contrainte [N/mm 2 ] E module d élasticité [N/mm 2 ] ε déformation [ ] l longueur de l éprouvette sans charge [mm] l changement de longueur de l éprouvette sous charge [mm] Eq Le comportement élastique du béton n est que partiellement linéaire. Les courbes contrainte-déformation de la pâte de ciment et du granulat sont en majeure partie linéaires. Mais la déformation du béton n est pas directement proportionnelle à la contrainte et croît plus rapidement que la contrainte. Les courbes contrainte/déformation ne sont pas linéaires, mais s incurvent de plus en plus lorsque le niveau de contrainte s approche de la rupture. Le comportement non-linéaire du béton est expliqué par la formation de microfissures dans la zone de transition entre le granulat et la pâte de ciment. En général, le niveau de chargement du béton en service est nettement inférieur à la charge de rupture, respectivement bien Déformation ε 1 [ ] en-dessous du domaine de déformation plastique. Au niveau des contraintes de service le comportement du béton est pratiquement linéaire (fig ). Le module d'élasticité du béton dépend directement des proportions volumiques et modules respectifs du granulat et de la pâte de ciment. De par sa proportion volumique de l'ordre de 70 % le granulat représente clairement le paramètre prépondérant. Le module d élasticité des granulats courants varie entre et N/mm 2. Le module de la pâte de ciment est nettement plus bas et se situe, en principe, entre et N/mm 2. Le module d élasticité correspond à la notion pratique suivante: un module élevé est avantageux pour limiter les déformations p. ex. en cas de structures fléchies ou comprimées (dalles, poutres, piliers). Par contre, un module bas s avère plus utile, p. ex. en cas de déformations imposées (tassement d appuis, retrait, variations de température), parce qu il en résulte de plus faibles contraintes de traction et donc un risque de fissuration réduit. Holcim guide pratique du béton 107

253 3. Du béton frais au béton durci 3.8 Propriétés mécaniques du béton durci Mesure du module d élasticité Pour les contraintes de service, il est permis d admettre un comportement quasi élastique du béton et de le décrire par un module fixe pour un niveau de charge défini. La courbe contrainte-déformation contient, non seulement des parts de déformations élastiques dépendant du temps, mais aussi des déformations permanentes (résiduelles) lors de la réduction de la contrainte. En répétant les cycles charge/décharge, cette déformation résiduelle tend vers une valeur limite et on observe un comportement pratiquement élastique. La mesure du module d élasticité selon la norme SIA SN EN est basée sur ce principe (cas normal, méthode B). Contrainte σ Δσ σ a Fig : Mesure du module d élasticité (module sécant). Le module d élasticité est déterminé par un essai de compression sur cylindre ou prisme (fig ). Les éprouvettes sont soumises à trois cycles de charge/décharge avec un niveau de charge inférieur de 0.5 à 1.0 N/mm 2 et un niveau de charge supérieur correspondant à un tiers de la résistance à la compression. Le module d élasticité est déterminé à partir des mesures du troisième cycle (fig ). Calcul du module d élasticité La norme SIA 262 permet d estimer le module d élasticité E cm d un béton courant à partir de la résistance à la compression: E cm = k E f cm Δε σ b Déformation ε Fig : Détermination du module d élasticité d un béton soumis à des cycles de charge/décharge. E cm module d élasticité calculé du béton [N/mm 2 ] k E coefficient, dépendant de la nature du granulat [-]: à pour des graviers alluvionnaires à pour des calcaires concassés à pour des roches micacées f cm résistance à la compression moyenne sur cylindre (f cm f ck + 8 N/mm 2 ) [N/mm 2 ] f ck résistance à la compression caractéristique sur cylindre [N/mm 2 ] Eq La figure illustre les modules d élasticité en fonction de la résistance à la compression sur cylindres, mesurés à l âge de 28 jours sur différents bétons. Les courbes ont été calculées pour différents types de roches selon l équation Les résultats de mesure coïncident avec les courbes normatives. 108 Holcim guide pratique du béton

254 Module d élasticité à 28 jours [N/mm 2 ] granulat alluvionnaire calcaire concasssé roches micacées Résistance à la compression sur cylindres à 28 jours [N/mm 2 ] granulat roulé (site 1) granulat roulé (site 2) granulat alpin concassé domaines entre les courbes: bétons courants à granulat naturel selon SIA 262 Fig : Module d élasticité en fonction de la résistance à la compression sur cylindre à 28 jours pour différents bétons. Fig : Comportement à la déformation d une plaque mince de béton fibré à ultra-hautes performances (voir chapitre 7.3). L équation tient compte de la nature du granulat et indirectement, par l intermédiaire de la résistance à la compression, de la qualité de la pâte de ciment. En revanche, les volumes relatifs de la pâte de ciment et du granulat ne sont pas considérés. Pour des résistances à la compression identiques, le calcul du module d'élasticité à l aide de l équation aura donc tendance à surestimer légèrement le module d'élasticité des bétons à haut volume de pâte de ciment, tels que les bétons autoplaçants (env. 15 %). Evolution du module d élasticité au cours du temps Lorsqu on charge un béton d un âge différent de 28 jours (p. ex. décoffrage ou mise en précontrainte), il est nécessaire d estimer son module d élasticité au moment du chargement afin de déterminer les déformations probables. L accroissement du module d élasticité au cours du temps suit approximativement voire plus rapidement l évolution de la résistance à la compression. En première approximation, on peut admettre les valeurs indicatives de l évolution du module d élasticité données dans le tableau Âge [j] Rapport E cm (t) / E cm, Tab : Valeurs indicatives de l évolution du module d élasticité (béton courant f c,cube 58 N/mm 2 à 28 jours). Holcim guide pratique du béton 109

255 3. Du béton frais au béton durci 3. Du béton frais au béton durci 3.9 Comportement à la déformation du béton indépendamment des charges 3.9 Comportement à la déformation du béton indépendamment des charges Introduction Le béton peut aussi se déformer indépendamment d une contrainte externe. Ces déformations résultent des changements de conditions d humidité (retrait et gonflement) ou de température (fig ). En plus de cela, des réactions de gonflement interne sont également possibles avec des compositions de béton inadéquates ou sous certaines conditions environnantes (voir chapitres 8.6 et 8.7). Lorsque les déformations sont entravées, des autocontraintes et des contraintes imposées apparaissent. Les autocontraintes se créent lorsque l élément d ouvrage lui-même empêche la déformation. Les contraintes imposées proviennent des conditions cadre externes, p. ex. une entrave par une fixation. Si les contraintes atteignent la résistance à la traction du béton, le risque de fissuration s accroît. Lorsque la déformation est importante, le module d élasticité et le degré d entrave sont élevés, les sollicitations à la traction sont augmentées. Elles peuvent diminuer sous l effet du fluage, en particulier au jeune âge du béton Retrait et gonflement Généralités Le retrait est défini comme une diminution volumique d un matériau de construction poreux induite par une perte d eau. En revanche, l augmentation de volume provoquée par une absorption d eau est désignée comme gonflement. Le gonflement hydrique n a pas d importance pratique puisque les déformations qui l accompagnent sont négligeables. Dans ce qui suit, il ne sera pas traité. Le retrait dépend donc des pertes d eau et est exprimé dans la pratique par une déformation de retrait linéaire ou unidimensionnelle: l ε s (t) = t l 0 l = l 0 l 0 ε s (t) déformation de retrait au moment t [-]* l t longueur au moment t [mm] l 0 longueur initiale [mm] l différence de longueur [mm] * au lieu de l expression sans unité de la déformation de retrait, on emploie souvent les dimensions suivantes: [ ] ou [mm/m] Eq Le retrait affecte essentiellement la pâte de ciment et dépend de la part volumique et du module d élasticité de la pâte de ciment. Les granulats courants ne contribuent pas au retrait. La déformation de retrait est influencée principalement par la composition du béton, les conditions d humidité ambiantes et les dimensions de l élément d ouvrage. On distingue quatre types de retrait: le retrait plastique ou capillaire le retrait chimique et endogène le retrait de dessiccation le retrait de carbonatation Le retrait de carbonatation n a pas d importance pratique, puisque les déformations associées y sont très faibles. Il ne sera pas traité par la suite. Les informations concernant les désordres dus à la fissuration induite par le retrait sont données au chapitre 8.4. Retrait plastique ou capillaire Le retrait capillaire, aussi appelé retrait plastique, est dû aux tensions capillaires créées lors de l évaporation de l eau du béton frais. Une pression négative se développe alors notamment dans la zone proche de la surface du béton, c.-à-d. un vide capillaire exerçant une force de contraction entre les fines particules solides du béton frais dont il résulte une plus grande compacité. Ce phénomène purement physique est illustré de manière schématique à l aide de trois phases à la figure pour une surface de béton en train de sécher. 110 Holcim guide pratique du béton

256 Le retrait plastique est favorisé par des déperditions importantes d eau à la surface du béton sous l effet de hautes températures d air et du béton, d une faible humidité relative de l air et des vitesses de vent importantes (voir chapitres et 3.7.2). r r Retrait chimique et endogène Le retrait chimique est une contraction volumique au cours de l hydratation du ciment, imputée à l incorporation des molécules d eau dans les produits d hydratation (phases CSH). Le volume de l eau liée chimiquement est plus petit que celui de l eau libre. La contraction volumique de la pâte de ciment au moment de la prise jusqu à l hydratation complète est d environ 6 cm³/100 g de ciment. Pour un béton avec un rapport E/C de 0.40 (hydratation complète) le volume de la pâte de ciment durcie V CS correspond à 92 % de la pâte de ciment à l état frais V CL. Phase 1 L eau de ressuage s évapore à la surface du béton frais. La quantité d eau évaporée est comparable à celle issue d une évaporation d eau libre, mais plus petite que la quantité d eau ressuée. Phase 2 Si l évaporation dépasse la quantité d eau ressuée à la surface, le niveau d eau s abaisse jusqu au niveau des particules solides. Les particules solides se rapprochent jusqu à ce qu elles se touchent. Les tensions capillaires (r) se développent en bordure. Phase 3 Au fur et à mesure de l évaporation, le niveau d eau s enfonce dans le béton et atteint d autres particules qui ne peuvent plus s approcher les unes des autres. Les tensions capillaires augmentent et peuvent conduire à la formation de fissures (voir chapitre 8.4). Exemple 21: Calcul de la diminution du volume due au retrait chimique masse ciment m C = 100 g masse volumique ciment t ρ C = 3.1 g/cm 3 volume ciment V C = 33 cm 3 pâte de ciment à l état frais (E/C=0.40) volume eau V E = 40 cm 3 volume pâte de ciment à l état frais V CL = V C + V E = = 73 cm 3 Fig : Les trois phases du retrait plastique. Les particules solides sont représentées de manière simplifiée par des billes. c.-à-d. env Le retrait des bétons à ultra-hautes performances est pratiquement exclusivement endogène. La déformation de retrait se situe à env La norme SIA 262 fournit des valeurs indicatives pour le retrait endogène ε ca pour différents bétons en fonction de l âge du béton (fig ). réduction volumique due au retrait chimique V RC = 6 cm 3 volume pâte de ciment durcie V CS = (V CL V RC )/V CL = (73 6)/73 = 92 % Retrait endogène ε ca [ ] C50/60 C40/50 L hydratation progressive lie chimiquement l eau libre. Lorsqu il n y a plus d eau libre dans les pores capillaires, l eau présente dans les pores de gel est consommée. Les pores se vident et l humidité relative interne baisse. Cette «dessiccation» interne induite par l hydratation est appelée autodessiccation. La réduction de l humidité relative interne provoque des tensions capillaires dans les pores qui conduisent à leur tour à une contraction volumique, le retrait endogène. Le retrait endogène dépend du rapport E/C. Plus le rapport E/C du béton est faible, plus la part du retrait endogène sera élevée. Pour des bétons usuels, il est pratiquement négligeable, mais se manifeste chez des bétons avec des rapports E/C inférieur à 0.45 et sans apport d eau externe. Il faut considérer le retrait endogène particulièrement en cas de bétons à haute résistance et à ultra-hautes performances. Par exemple, pour les bétons de classe de résistance à la compression C80/95, le retrait endogène atteint environ 30 % du retrait de dessiccation, C30/37 C20/ jours ans Âge du béton Fig : Valeurs indicatives du retrait endogène du béton jusqu à une classe de résistance C50/60 selon la norme SIA 262. Holcim guide pratique du béton 111

257 3. Vom Frischbeton zum Festbeton 3. Du béton frais au béton durci 3. Du béton frais au béton durci 3.9 Comportement à la déformation du béton indépendamment des charges Retrait final [ ] en revanche une augmentation de la teneur en ciment à 400 kg/m 3 pour une teneur en eau de 175 kg/m 3 implique un retrait final seulement légèrement plus élevé, d environ Le retrait de dessiccation εcd d un béton courant peut être estimé selon la norme SIA 262 comme suit: ε cd (t) = β(t t s ) ε cd, ε cd retrait de dessiccation [ ] β(t t s ) coefficient tenant compte du début du retrait (t s = début du retrait) ε cd, valeur finale du retrait de dessiccation [ ] teneur en eau l/m 3 rapport E/C Teneur en ciment [kg/m 3 ] Fig : Retrait final en fonction de la teneur en eau et en ciment et du rapport E/C (mesuré sur prismes de mm sous une humidité relative de l air de 50 % à partir du 5 ème jour). Le graphique s applique aux bétons avec un ciment CEM I ou CEM II. 3 Retrait de dessiccation Ce type de retrait est lié au séchage du béton durci et résulte d'échanges hydriques avec le milieu environnant. Le phénomène débute dès le décoffrage ou la fin de la cure et peut durer des années, voire des décennies dans le cas d'éléments massifs. La cinétique du retrait de dessiccation est plus rapide dans le cas de bétons avec un rapport E/C élevé, d humidité d air faible, d un élément mince, respectivement d un rapport important entre la surface de béton exposée et le volume de béton. L ampleur du retrait de dessiccation augmente avec le volume de la pâte de ciment, tandis que le squelette granulaire d un granulat naturel ne subit pas de retrait et s oppose même au retrait de la pâte de ciment. Le retrait de dessiccation est plus fortement influencé par un changement de la teneur en eau que par un changement de la teneur en ciment. La grande signification de la teneur en eau pour le retrait de dessiccation des bétons est mise en évidence par la figure 3.9.3, qui présente l influence de la teneur en ciment, en eau et du rapport E/C. Trois différents cas de figure 1, 2 et 3 sont illustrés: Eq Des valeurs indicatives du retrait final de dessiccation εcd, et du coefficient β(t ts)tenant compte du début du retrait sont données aux figures et Les coefficients β(t ts) pour 30 ans sont aussi valables pour des périodes de plus de 30 ans. La hauteur relative d un élément de construction h0 est: h 0 = 2 A c u h 0 hauteur relative de l élément de construction [mm] A c aire de la section du béton [mm 2 ] u proportion du périmètre de section exposée au séchage [mm] Eq Dans la tabelle 3.9.1, on a représenté la hauteur h 0 pour différentes géométries d éléments de construction et conditions de séchage. Le retrait spécifique εcs d un béton courant se compose du retrait de dessiccation εcd et du retrait endogène εca: ε cs (t) = ε cd (t) + ε ca (t) Eq un béton avec une teneur en ciment de 300 kg/m 3 et une teneur en eau de 175 kg/m 3 a un retrait final d environ si l on relève la teneur en eau à 200 kg/m 3, tout en gardant la teneur en ciment constante (300 kg/m 3 ), il en résulte un retrait final d environ Holcim guide pratique du béton

258 Retrait final de dessiccation [ ] C20/25 C50/60 C40/ Humidité relative de l air RH [%] Fig : Valeurs indicatives du retrait final de dessiccation εcd, des bétons selon la norme SIA 262 pour des plages typiques d humidité relative de l air. β(t t s ) [-] à l intérieur h 0 = 60 mm h 0 = 100 mm h 0 = 200 mm à l extérieur h 0 = 300 mm h 0 = 500 mm Essais de retrait Pour certaines applications, il est intéressant de connaître la valeur de retrait du béton. Différentes méthodes de mesure existent en laboratoire. La méthode la plus fréquemment employée consiste à mesurer le retrait du béton durci. En Suisse, la procédure est décrite dans la norme SIA 262/1, annexe F et est réalisée sur des prismes de dimensions mm. La mesure initiale se fait 24 heures après la confection des éprouvettes. Ces dernières sont ensuite conservées à une température de 20 C et une humidité relative de l air de 70 %. Les mesures des déformations de retrait sont réalisées à des intervalles fixes. Sur la base des changements de longueur, on calcule à tout moment la valeur de retrait. Cette méthode permet de prendre en compte le retrait chimique, le retrait endogène et le retrait de dessiccation du béton durci. Les relations illustrées dans la figure ne s appliquent qu aux ciments CEM I et CEM II. L évolution au cours du temps du retrait des bétons à base de ciment CEM III est très différente, puisque le retrait de dessiccation des premiers jours et semaines est nettement plus grand h 0 = 600 mm Jours Ans t t s Fig : Coefficient β(t-ts) tenant compte du début du retrait selon la norme SIA 262, y compris une extrapolation à 30 ans. Géométrie de l élément de construction 1) Section circulaire, p. ex. piliers ronds Section carrée, p. ex. des piliers carrés a Section rectangulaire, p. ex. mur, dalle h Section rectangulaire, p. ex. radier h Tab : Hauteur relative h 0 pour différentes géométries d éléments de construction et conditions de séchage. r r a 1.0 m 1.0 m Conditions de séchage sur tout le périmètre sur tout le périmètre sur deux côtés sur un côté h0 r a/2 h 2 h 1) les flèches dans les graphiques indiquent la direction de séchage Holcim guide pratique du béton 113

259 3. Du béton frais au béton durci 3.9 Comportement à la déformation du béton indépendamment des charges Fig : Retrait de dessiccation en fonction du volume de pâte de ciment pour des bétons à base de ciments CEM I et CEM II selon la norme SIA 262/1: après 28 jours (en haut) et 90 jours (en bas). Retrait de dessiccation après 28 jours [ ] Retrait de dessiccation après 90 jours [ ] Volume de la pâte de ciment [l/m 3 ] Volume de la pâte de ciment [l/m 3 ] Exemple 22a: Estimation du retrait après 90 jours d une couche de roulement d une épaisseur de 30 cm Classe de résistance C40/50, séchage à 70 % RH, séchage d un seul côté Retrait dans l élément d ouvrage: la couche de roulement est considérée comme une dalle, ne pouvant sécher que d un côté. h 0 = 2 h = = 600 mm β (t t s ) = 0.1 (voir fig et tab ) Retrait final après 90 jours = ( ) = 0.12 (voir fig ) Exemple 22b: Estimation du retrait des éprouvettes confectionnées avec le béton de la couche de roulement, essai selon SIA 262/1, annexe ( mm) Un complément pour les premières heures après la confection du béton représente l évaluation des déformations de retrait sur un banc de mesure pendant le passage du béton frais au béton durci. Cette méthode permet, en particulier, de mieux caractériser les bétons à haute résistance au jeune âge, avec une montée en résistance considérable durant les premières 24 heures et sujets au retrait endogène. La dessiccation du béton ne peut se faire pendant cet essai que par la face supérieure de l éprouvette, ce qui correspond à une situation de séchage réaliste. Les changements de longueur sont surveillés en continu au milieu de la section. La procédure d essai n est pas normée. Retrait endogène ε ca = 0.08 (voir fig ) Retrait de dessiccation: ε cd = 0.35 (voir fig ) Réduction du retrait de dessiccation par le coefficient β (t t s ) a = 120 mm h 0 = a/2 = 60 mm β (t t s ) = 0.95 (voir fig et tab )) Retrait de dessiccation: ε cd = = 0.33 Retrait final après 90 jours = = 0.41 Tab : Valeurs indicatives des différents types de retrait pour des sortes usuelles de béton Types de retrait Apparition Valeur de retrait [ ] Remarque Retrait plastique ou capillaire durant les premières heures jusqu à la prise jusqu à 4.0 le problème existe surtout en cas de grandes surfaces (radiers, dalles) et des bétons sans eau de ressuage Retrait chimique durant les premiers jours jusqu à 0.2 dû à l hydratation, se produit dans tous les bétons Retrait endogène pendant des semaines jusqu à 0.12 bétons courants avec rapport E/C < bétons à haute résistance, bétons à ultra-hautes performances Retrait de dessiccation à partir de la prise pendant des années jusqu à conservation à l air très humide (90 % HR) conservation à l extérieur (70 % HR) conservation à l intérieur, à l air sec (50 % HR) 114 Holcim guide pratique du béton

260 Exemple 22c: Contrôle du retrait d une éprouvette à l aide de la fig Volume de la pâte de ciment = 348 l/m Retrait après 90 jours = 0.42 Les deux estimations conduisent au même résultat pour le retrait après 90 jours Déformations dues à la température Généralités Les variations et les gradients de température au sein du béton résultent non seulement des variations journalières et annuelles de la température ambiante, mais également de la chaleur générée par l hydratation du ciment. Elles sont accompagnées de changements volumiques des éléments de construction. Dilatation thermique En général, le calcul des déformations dues à la température se base sur le coefficient de dilatation thermique α T : Chaleur d hydratation dissipée Chaleur d hydratation du ciment La réaction d hydratation du ciment est un processus exothermique, ce qui signifie qu elle dégage de la chaleur. La quantité maximale de chaleur dégagée dépend essentiellement de la quantité de chaleur d hydratation du ciment et de la teneur en ciment du béton. L évolution au cours du temps du développement de chaleur dans le béton est régie par le type de ciment (p. ex. CEM I, CEM III), la composition du béton (adjuvants, rapport E/C), ainsi que la température ambiante et celle du béton frais. Une élévation des températures accélère le dégagement de chaleur du ciment. La quantité de chaleur d un ciment peut être déterminée selon les normes SN EN ou SN EN En Suisse, il existe une méthode alternative normée basée sur la calorimétrie isotherme du flux de chaleur. Isotherme signifie que la température est tenue constante et que la chaleur d hydratation dégagée est soustraite au système. Or, les conditions isothermes n existent pas dans la pratique, ni d ailleurs les conditions purement adiabatiques, où toute la chaleur dégagée est stockée dans le corps. La figure illustre la chaleur d hydratation en fonction du temps pour différents types de ciment. ε T = α T T ε T dilatation thermique [-]* α T coefficient de dilatation thermique [K 1 ] T différence de température [K] * au lieu de l expression sans unité de la dilatation thermique, on emploie souvent les dimensions suivantes: [ ] ou [mm/m] Chaleur d hydratation [J/g] Eq Le coefficient de dilatation thermique αt idépend essentiellement de la composition, du taux d humidité et du type de granulat du béton. Il varie entre et K 1. Dans le cadre de l analyse structurale, on admet pour un béton courant une valeur αt = K 1 et pour un béton léger une valeur α T = K 1. Ces valeurs, comparables au coefficient de dilatation thermique de l acier, confèrent un comportement favorable au matériau de construction composite,comme peut l être le béton armé classe de résistance 52,5 p.ex. Fortico 5R, Normo 5R, Albaro 5R classe de résistance 42,5 p.ex. Normo 4, Robusto 4R 5, Optimo, Fluvio 4 classe de résistance 32,5 p.ex. Normo 3, Modero 3B Temps [h] L équation donne p. ex. pour T = 20 K une dilatation thermique εt = 0.2. Fig : Chaleur d hydratation en fonction du temps pour différents types de ciment Holcim (déterminée selon SN EN (Langavant)). Holcim guide pratique du béton 115

261 3. Du béton frais au béton durci 3.9 Comportement à la déformation du béton indépendamment des charges Températures et contraintes au sein de l élément de construction Température maximale de l élément de construction Il existe une corrélation entre la chaleur d hydratation du ciment et la température maximale atteinte en moyenne dans l élément de construction. Tant que la chaleur d hydratation dégagée, à un moment donné, dépasse la chaleur dissipée, à la surface de l élément de construction, la température moyenne dans l élément de construction augmente. En conséquence le béton se dilate. Si le déplacement est entravé, il va en résulter une contrainte de compression. Cette dernière est cependant très limitée car le béton présente un très faible module d élasticité à cet âge. Lors de la phase de refroidissement, le béton se contracte pour retrouver approximativement ses dimensions d origine. Le module d'élasticité augmente fortement avec l âge entre la phase d'échauffement et celle de refroidissement. La contrainte de traction engendrée par le refroidissement est donc nettement supérieure à la contrainte de compression engendrée lors de l échauffement et elle peut conduire à une fissuration. Pour des éléments massifs d une épaisseur de 2 m, le pic de la température maximale n est souvent atteint qu après 3 ou 4 jours. Différence de température entre cœur et bordure du béton Si l épaisseur de l élément est importante (éléments massifs), la température ne sera pas uniforme sur toute la section. A cause des grandes dimensions, la température développée au cœur ne sera dissipée que très lentement dans l environnement, de sorte que le béton du cœur s échauffera plus fortement que celui en bordure de l élément. Les différences de température dans la section créent des contraintes de compression au cœur et des contraintes de traction dans les zones de bordure (fig ). Celles-ci seront d autant plus prononcées, si la température du béton décoffré est nettement plus élevée que la température ambiante, de sorte que le béton en surface se refroidisse et se contracte rapidement. Cette déformation est entravée par le béton au cœur de l élément. Il en résulte un état d autocontraintes dans la section pouvant conduire à une fissuration de la zone de bordure du béton. La fissuration résultant des gradients thermiques se produit généralement peu après le décoffrage ou l enlèvement des nattes thermiques. Des contraintes de traction peuvent apparaître entre différents éléments de construction en cas de bétonnage d un nouvel élément directement en contact avec un béton déjà existant. Le nouveau béton s échauffe, tandis que l ancien béton est déjà durci et refroidi. Au moment du refroidissement, le nouveau béton cherchera à se contracter, mais en est empêché par le contact avec l ancien béton. Les contraintes provoquées par cette entrave à la déformation peuvent conduire à une fissuration. La figure montre les résultats de mesures de température d'une étape de radier de 1.10 m d'épaisseur et l évaluation qualitative de l historique des contraintes engendrées par la chaleur d hydratation dissipée. Des températures supérieures à 70 C peuvent en outre provoquer des désordres dans le béton à cause d une formation différée d ettringite (voir chapitre 8.6). De ce fait, il est recommandé de ne pas dépasser une température maximale admissible de 60 C au cœur des éléments massifs. Fig : Dalle massive en béton. Fig : Variations de température et état d autocontraintes dans un élément massif. max. T σ t contraintes de compression contraintes de traction 116 Holcim guide pratique du béton

262 Calcul des températures et contraintes au sein de l élément de construction Pour évaluer la température maximale atteinte en moyenne dans un élément de construction, une simple formule est donnée dans la littérature sur la base de la température lors de la mise en place et de l élévation adiabatique de la température. Une fois cette valeur déterminée, il est possible d estimer approximativement, à l aide du nombre de Biot, la différence de température entre le cœur et la bordure du béton. Mais, les deux formules ne représentent que des approches grossières et ne se prêtent pas au pronostic des températures d un élément de construction sous des conditions réelles. Dans le cadre de grands projets de construction, on se sert de logiciels spécifiques pour l estimation de l évolution des températures dans un élément de construction sur la base de la composition prévue du béton, de la géométrie de l élément et des conditions ambiantes attendues. Ainsi, il est possible d optimiser la formulation du béton tout en tenant compte des autres exigences spécifiques du projet. L emploi d un ciment de haut fourneau avec une faible chaleur d hydratation et un décalage des essais de conformité à un âge de 56 ou 91 jours permettent d exécuter des éléments massifs classiques en gardant la température maximale du béton en dessous de 60 C. En cas d exigences de classe de résistance plus élevées, p. ex. C50/60 ou des délais de décoffrage plus courts, des combinaisons de ciment Portland et de cendre volante sont éventuellement plus judicieuses. En tenant compte du pronostic de l évolution des résistances, une formulation optimale du béton peut être établie. Grâce au calcul du moment où la température maximale sera atteinte et des différences de température au sein de l élément et avec l environnement, des mesures adéquates de cure peuvent être prescrites. Le fondement de ces pronostics est la connaissance exacte des propriétés des ciments (chaleur d hydratation et évolution au cours du temps des résistances mécaniques). Température [ºC] jours T max = 53.3ºC enlèvement des nattes thermiques au 5 ième jour ΔT 12.4ºC béton au coeur béton en bordure Fig : Résultats de mesures de température d une étape de radier de 1.10 m d épaisseur (en haut) et évaluation qualitative de l historique des contraintes engendrées par la chaleur d hydratation dissipée (en bas) ºC air Temps [jours] frissures en surface Contrainte/Résistance compression traction résistance à la traction contrainte moyenne d un élément entravé contrainte en bordure du béton contrainte au coeur du béton résultant de ΔT résultant de T max Holcim guide pratique du béton 117

263 3. Du béton frais au béton durci 3. Du béton frais au béton durci 3.10 Protection contre la corrosion de l armature 3.10 Protection contre la corrosion de l armature Epaisseur et qualité du béton d enrobage Généralités Le béton d enrobage correspond à la couche de béton situé entre l armature et la surface du béton. Cette couche remplit les fonctions suivantes: assurer la protection contre la corrosion de l armature assurer la protection contre des incendies (résistance au feu) transmettre des forces d adhérence La corrosion de l armature est aujourd hui la cause la plus fréquente des dégâts des constructions en béton armé (voir chapitre 8.9). La corrosion est initiée par la carbonatation ou par la pénétration de chlorures (sels de déverglaçage). En principe, une distinction est faite entre la phase d initiation et la phase de corrosion (fig ). La phase d initiation est fortement influencée par l épaisseur et la qualité du béton d enrobage. Par contre la phase de corrosion est essentiellement régie par la résistance électrique du béton, elle-même fortement dépendante de l humidité et de la température du béton. Epaisseur du béton d enrobage Le béton à propriétés spécifiées doit remplir une fonction de protection des barres d armature dans le cas des classes d exposition XC et XD. Pour cette raison la norme SIA 262 fixe l enrobage de l armature en fonction de la classe d exposition. On distingue l enrobage nominal de l armature c nom de l écart admissible c zul. résultant des tolérances d exécution. c nom enrobage nominal de l armature indiquée sur les plans. c nom est la valeur de base à respecter, correspondant aux dimensions des écarteurs et déterminante pour le calcul statique. c zul. tolérance dimensionnelle maximale de la valeur de base résultant des tolérances d exécution (fig ). Fig : Développement schématique des dégradations dans un élément de béton armé. Dégradation de l armature état limite de dégradation c zul. c nom phase d initiation carbonatation, pénétration de chlorures Durée de vie Temps phase de dégradation corrosion de l armature Fig : Variation de l enrobage de l armature. (Source: Technik und Forschung im Betonbau (TFB), Wildegg). 118 Holcim guide pratique du béton

264 Le tableau donne l enrobage nominal de l acier d armature passive et de l acier de précontrainte en fonction de la classe d exposition selon la norme SIA 262. Les valeurs pour l enrobage nominal de l armature après exécution ne doivent pas dépasser les écarts admissibles. Elles sont valables pour une durée de service de 50 ans. Le diamètre maximal du granulat du béton doit être inférieur à l enrobage nominal. Enrobage nominal de l armature c nom [mm] Acier d armature passive Acier de précontrainte ou unité de précontrainte XC1 XC2 XC3 XC4 XD1 XD2a XD2b XD Qualité du béton d enrobage La qualité du béton d enrobage, en première ligne son étanchéité vis-à-vis des gaz et des infiltrations d eau, y compris des sels dissous, est entre autre influencée par: la composition du béton le compactage du béton le type et la durée de cure la forme et les dimensions de l élément de construction la densité et la disposition de l armature le type et la préparation du coffrage la finition de la surface du béton Tab : Enrobage nominal de l acier d armature passive et de l acier de précontrainte en fonction de la classe d exposition selon la norme SIA 262. Une structure plus dense se forme dans le béton avec des ciments CEM I et CEM II riche en CaO grâce à la carbonatation, parce que les carbonates précipitent surtout dans les pores capillaires et provoquent une obturation de ces derniers. En revanche dans les bétons riches en additions de ciment, p. ex. les ciments CEM III/B, on constate, suite à la carbonatation, un élargissement des pores capillaires et donc une structure plus grossière des pores (fig ). En raison de coulage du béton, la composition du béton d enrobage diffère de celui au cœur de l élément de construction, la proportion en pâte de ciment étant plus élevée en bordure qu au centre du béton. De ce fait, les propriétés du béton varient dans la section de l élément de construction. L étanchéité augmente avec: un rapport E/C bas une faible porosité capillaire l absence de fissures un coffrage absorbant une cure suffisamment longue et humide Perte de la protection contre la corrosion due à la carbonatation Béton avec CEM I: non carbonaté (à gauche), carbonaté (à droite). Généralités La carbonatation du béton est le résultat de réactions chimiques entre les composants alcalins de la pâte de ciment durci et le dioxyde de carbone (CO 2 ). Les réactions n ont lieu qu en présence d eau en quantité suffisante. La carbonatation conduit à un abaissement de la valeur ph de la solution interstitielle initialement > 12.5 à env Sous ces conditions, l acier d armature n est plus passivé dans le béton et peut commencer à se corroder. La teneur en Ca(OH) 2 est décisive pour la capacité de tampon et la réserve d alcalinité du béton. La valeur ph ne descend pas en dessous de 12.5 tant qu il y a du Ca(OH) 2 soluble dans le béton. Les réserves d alcalinité varient selon le type de ciment. Dans la pratique, on observe une carbonatation plus rapide dans les bétons avec des ciments CEM II/A-LL et CEM II/B-LL en comparaison avec des bétons à base de ciment CEM I. Béton avec CEM III/B: non carbonaté (à gauche), carbonaté (à droite). Fig : Microphotos de bétons avec différents ciments à un stade non carbonaté et carbonaté pris au microscope électronique. (Source: Eidgenössische Prüf- und Forschungsanstalt (EMPA), Dübendorf). Holcim guide pratique du béton 119

265 3. Du Vom béton Frischbeton frais au zum béton Festbet durciton 3. Du béton frais au béton durci 3.10 Protection contre la corrosion de l armature Fig : Représentation schématique de la vitesse relative de carbonatation et de corrosion en fonction de l humidité relative de l air. Vitesse de carbonatation La vitesse d avancement de la carbonatation dans le béton dépend de divers facteurs: le type et la teneur en ciment le type et la teneur en additions la valeur ph de la solution interstitielle et la teneur en Ca(OH) 2 la porosité, en particulier la porosité capillaire (rapport E/C) le traitement de cure le degré d hydratation de la zone de bordure du béton La figure représente schématiquement la vitesse relative de carbonatation et de corrosion en fonction de l humidité relative de l air. Vitesse relative [-] Résistance à la carbonatation L avancement au cours du temps de la carbonatation est décrit dans la pratique par une loi dépendant de la racine carrée du temps. Elle est présentée par l équation sous une forme plus générale: d k = A + K t 0.5 d k profondeur de carbonatation [mm] A constante (valeur initiale) [mm] K coefficient de carbonatation [mm/d 0.5 ] ou [mm/a 0.5 ] t temps [d] ou [a] Eq Exemple 23: Calcul de la durée de vie probable (phase d initiation jusqu à la dépassivation de l armature) d un béton de type B Données: A = 0, K = 5.0 mm/a, d k = c nom = 35 mm (voir tab ) 2 d t = K 35 2 = = 49 ans K Humidité de l air relative [%] carbonatation corrosion La vitesse d évolution du phénomène de carbonatation est plus élevée pour une humidité relative de l air (HR) d environs 55 à 80 %. Un béton complètement saturé ne se carbonate pratiquement pas, puisque la vitesse de diffusion du CO 2 dans la solution interstitielle est ralentie d un facteur de 3 à 4 en comparaison avec un béton moins humide. Au dessous d une humidité relative de l air d env. 40 %, le béton se carbonate à peine, à cause du manque d eau libre dans le béton, nécessaire à la réaction de carbonatation. La vitesse de corrosion est très faible jusqu à une humidité relative de l air de 70 % et augmente soudainement à partir de 85 % HR pour atteindre son maximum à env. 95 % HR, puis retombe quasi à zéro dans le béton saturé, parce que l oxygène nécessaire à la corrosion de l acier manque. Puisque la vitesse d avancement de la carbonatation sous des conditions naturelles est plutôt faible, un essai de carbonatation accélérée a été développé pour les contrôles de conformité. En Suisse, le coefficient de carbonatation est considéré comme la grandeur de mesure de la résistance à la carbonatation du béton. La carbonatation est accélérée dans une enceinte avec une teneur en CO 2 enrichie à 4.0 % vol. de l air. Les profondeurs de carbonatation sont mesurées à différents intervalles de temps sur les quatre côtés d une tranche de prisme fendu, dont on calcule la valeur moyenne pour chaque côté (fig ). A partir des quatre profondeurs moyennes de carbonatation, on calcule par régression linéaire la constante A et le coefficient de carbonatation K s (fig ). Profondeur de carbonatation [mm] y = K S + A R 2 = A t 1/2 [temps en jours] valeurs de mesure (racine carrée du temps) K S Fig : Détermination du coefficient K S. 120 Holcim guide pratique du béton

266 Fig : Procédure d essai pour la mesure de la résistance à la carbonatation. 1 éprouvette dans la presse d essai 2 fendage des tranches de béton 3 vaporisation de la solution de phénolphthaléine* 4 mesure initiale 5 mesure après 7 jours 6 mesure après 28 jours 7 mesure après 36 jours * les indications de sécurite pour le travail avec de la phénolphthaléine sont à respecter Le coefficient de carbonatation obtenu par l essai de carbonatation accélérée K s est ensuite transformé en un coefficient de carbonatation sous des conditions naturelles K N à l aide de l équation La valeur du coefficient est d autant plus basse que la résistance à la carbonatation est élevée: tous les types de ciment pour la sorte de béton B (classe d exposition XC3, rapport maximal E/C = 0.60). La figure illustre la résistance à la carbonatation des bétons de la sorte B avec différents types de ciment. La ligne rouge correspond à la valeur limite de la résistance à la carbonatation pour une durée de service de 50 ans selon la norme SN EN Les bétons avec des ciments CEM II/B-LL et CEM III/B dépassent nettement la valeur limite. K N = a b c K S = 2.6 K S K N coefficient de carbonatation sous des conditions naturelles avec une teneur en CO 2 de l air de 0.04 % vol. [mm/a 0.5 ] K S coefficient de carbonatation a facteur de transformation de 1 jour à 1 an: (365/1) 0.5 b facteur de transformation de 4.0 à 0.04 % vol. CO 2 : (0.04/4.0) 0.5 c facteur de correction pour la carbonatation accélérée: 1.36 Eq Durée de service [a] Résistance à la carbonatation K N [mm/an 0.5 ] sorte de béton B: 5.0 sorte de béton C, D et E: 5.0 sorte de béton B: 4.0 sorte de béton C, D et E: 4.5 Epaisseur d enrobage [mm] Tab : Valeurs limites de la résistance à la carbonatation et de l épaisseur de l enrobage pour différentes durées de service. La méthode de mesure de la résistance à la carbonatation du béton est décrite dans l annexe I de la norme SIA 262/1. Dans le tableau figurent les valeurs limites de la résistance à la carbonatation selon la norme SIA 262/1 (essai de conformité) et l épaisseur de l enrobage nécessaire, tout en considérant deux durées de service, puisque les exigences de la norme SIA 262 relatives à l épaisseur d enrobage s appliquent uniquement pour une durée de service de 50 ans. L expérience pratique montre que les valeurs limites de la résistance à la carbonatation ne sont pas respectées avec Résistance à la carbonatation K N [mm/a 0.5 ] valeur limite K N = 5.0mm/a 0.5 CEM I CEM II/A-LL CEM II/ B-M (T-LL) CEM II/B-LL CEM III/B Fig : Résistance à la carbonatation des bétons de la sorte B avec différents types de ciment. Holcim guide pratique du béton 121

267 3. Du béton frais au béton durci 3.10 Protection contre la corrosion de l armature Perte de la protection contre la corrosion due aux chlorures Généralités Les chlorures, p. ex. les sels de déverglaçage, pénètrent dans le béton jusqu à l armature et attaquent la couche passive des aciers, même en présence d une valeur ph élevée, c.-à-d. aussi dans un béton non carbonaté. Sous un taux d humidité variable du béton (cycles sec/humide) les chlorures contenus dans les projections d eau et l eau de fonte s infiltrent rapidement dans le béton. Dans les zones proches de la surface, les chlorures peuvent être délavés par les intempéries. Les conditions d humidité et d exposition aux intempéries sont donc tout aussi importantes que l apport de chlorures. Une attaque par corrosion n est possible que lorsqu une certaine concentration de chlorures dans la solution interstitielle est atteinte. Pour la dépassivation, le rapport des chlorures et des ions hydroxyde dissous dans la solution interstitielle est déterminant. Quant aux processus de corrosion dans le béton, ceux-ci ne dépendent pas seulement de la teneur en chlorures, mais aussi de la conductivité électrique du béton (porosité et humidité). De ce fait, il n existe pas de valeur limite unique pour la teneur critique en chlorures, induisant la corrosion. Une valeur approximative d env. 0.4 % en masse de la teneur en ciment du béton est admise. Vitesse de pénétration et liaison des chlorures Les chlorures peuvent être transportés dans les pores du béton par deux mécanismes différents qui influencent de manière significative la vitesse de pénétration: par diffusion pure dans les pores remplis complètement d eau par absorption capillaire dans les pores à sec ou remplis partiellement d eau, c.-à-d. un transport par entraînement des ions dissous dans l eau absorbée Le béton est capable de lier les chlorures chimiquement, p. ex. sous forme de sel de Friedel, un monohydrate de chlorures, ou physiquement, p. ex. dans les phases CSH. Le type de liaison peut varier en fonction de la phase hydratée du ciment. Les chlorures se trouvent donc dans le béton sous forme de: chlorures liés chimiquement chlorures adsorbés physiquement ou chimiquement chlorures libres dans la solution interstitielle Grâce à la fixation des chlorures dans la pâte de ciment, la vitesse de pénétration des chlorures se ralentit d une part, et la teneur en chlorures libres dans la solution interstitielle se réduit, d autre part. Pour l initiation de la corrosion, seule la teneur en chlorures de la solution interstitielle compte. La majeure partie des chlorures est liée pendant les premiers jours. Au cours du temps, le taux de fixation des chlorures diminue. La liaison des chlorures est influencée par les paramètres de technologie du béton et par ceux de l environnement suivants: le ciment (type, dosage, teneur en C 3 A, finesse de broyage) l âge du béton (degré d hydratation) au premier contact avec les chlorures la carbonatation du béton (stabilité du sel de Fridel) la solution interstitielle (teneur en sulfates et valeur ph) les chlorures (composition et concentration) la température Résistance aux chlorures La diffusion des chlorures est un processus très lent qui ne se prête pas comme grandeur à mesurer pour des essais de conformité. Par contre, la dispersion des résultats obtenus en mesurant le transport par entraînement est très grande. De ce fait, un essai pratique accéléré a été choisi. Le principe de mesure repose sur le fait que, sous une tension électrique, les ions chlorure pénètrent plus vite que par pure diffusion dans un béton saturé en eau. La vitesse de migration des ions chlorures est décrite comme un coefficient de migration des chlorures, lequel est considéré en Suisse comme valeur de mesure de la résistance aux chlorures. A la fin de l essai, la profondeur de pénétration des ions chlorure libres est déterminée à l aide d un test de coloration sur une surface fraiche de rupture des éprouvettes fendues (fig ). Le coefficient de migration des chlorures se calcule sur la base de la profondeur de pénétration, et en fonction de la tension appliquée et de la durée de l essai. Le coefficient de migration des chlorures est déterminé de manière simplifiée pour une solution 0.2 molaire d hydroxyde de potassium avec 3 % NaCl comme suit: c D CI = (x d c x d ) [m 2 /s] t avec c = ht U [m] D Cl coefficient de migration des chlorures [m 2 /s] T température moyenne absolue de la solution KOH avec et sans NaCl pendant l essai [K] x d profondeur moyenne de pénétration des ions chlorure mesurée sur les deux moitiés d une éprouvette [m] U valeur moyenne des tensions électriques au début et en fin d essai [V] t durée de la mesure [s] h hauteur de l éprouvette [m] Eq et Holcim guide pratique du béton

268 La méthode de mesure de la résistance aux chlorures du béton est décrite dans l annexe B de la norme SIA 262/1. La valeur du coefficient est d autant plus basse que la résistance aux chlorures est élevée. La valeur limite de la résistance aux chlorures est fixée à m 2 /s pour les sortes de bétons F et G (essai de conformité). L expérience pratique montre que la valeur limite de la résistance aux chlorures est généralement respectée pour la sorte de béton F (classe d exposition XD3, rapport maximal E/C = 0.45) avec tous les ciments admis pour cette classe d exposition. La figure illustre la résistance aux chlorures des bétons de la sorte F avec différents types de ciment. La ligne rouge correspond à la valeur limite de la résistance aux chlorures pour une durée de service de 50 ans selon la norme SN EN Les bétons avec des ciments CEM II/B-M (S-T) se situent en comparaison avec les autres ciments nettement en-dessous de la valeur limite. Résistance aux chlorures [m 2 /s] valeur limite D Cl m 2 /s CEM I CEM II/A-LL CEM II/B-M (T-LL) CEM II/B-M (T-S) CEM III/B Fig : Résistance aux chlorures des bétons de la sorte F avec différents types de ciment. Fig : Procédure d essai de la détermination de la résistance aux chlorures. 1 Prélèvement d une carotte 2 Eprouvette étanchéifiée 3 Placement de l éprouvette dans la cellule de mesure, remplissage avec du KOH et fermeture. Remplissage de la cellule de mesure avec du NaCl et début de l essai de migration 4 A la fin de l essai enlèvement de l éprouvette de la cellule de mesure et fendage de l éprouvette 5 Application du nitrate d argent et une solution indicatrice sur les deux surfaces de fracture et détermination de la profondeur de pénétration des chlorures Holcim guide pratique du béton 123

269 3. Du béton frais au béton durci 3. Du béton frais au béton durci 3.11 Assurance de la qualité sur le chantier 3.11 Assurance de la qualité sur le chantier Fig : Interface (réception du béton) entre la centrale à béton et l entreprise de construction Introduction Généralités Lors de la réalisation des ouvrages en béton, les entreprises de construction doivent s assurer, par une surveillance régulière de toutes les activités, que leurs prestations soient conformes aux règlementations en vigueur et aux spécifications du projet. Selon le type de projet, des efforts spécifiques de surveillance pour l assurance qualité du béton seront nécessaires. L assurance qualité sur le chantier permet de contrôler la qualité d exécution visée et, si nécessaire, d intervenir à temps par des mesures de correction. Le contrôle des propriétés essentielles des bétons frais et durcis est réalisé selon les normes SIA 118 et 262 et SN EN 13670, y compris les éléments nationaux. Les essais de chantiers ne remplacent pas les essais de conformité à la centrale à béton et inversement. La figure représente l interface (réception du béton) qui marque le passage de la responsabilité de la centrale à béton à l entreprise de construction, dans le cas d un béton livré depuis une centrale fixe sur un chantier. Responsabilité: entreprise de construction réception du béton Responsabilité: centrale à béton Contrôle du béton Classes d exécution Le maître de l ouvrage peut exiger de l entrepreneur des essais de contrôles sur béton frais et sur béton durci. Les essais exigés sont à définir dans le plan de contrôle du maître de l ouvrage et/ou de l entrepreneur et doivent faire partie du contrat d entreprise. La norme SN EN divise le contrôle en trois classes d exécution. Le choix de la classe d exécution se fait selon quatre critères: la classe de résistance du béton, la classe d exposition, la sorte de béton selon les éléments nationaux de la norme SN EN 206-1, ainsi que la classe de prévention du cahier technique SIA 2042 «Prévention des désordres dus à la réaction alcalis-granulats (RAG) dans les ouvrages en béton» (tab ). Si plusieurs classes d exécution s appliquent à un béton, la classe la plus élevée doit être attribuée au béton. Contrôles sur béton frais et durci pour un béton à propriétés spécifiées Les possibilités de contrôle des propriétés du béton sont indiquées au tableau Les contrôles du béton frais sont exécutés selon la norme SN EN (voir chapitre 3.3). La résistance à la compression peut être mesurée sur cubes selon la norme SN EN ou sur carottes selon la norme SN EN Les essais de durabilité sont réalisés sur des éprouvettes ou sur des carottes prélevées dans l ouvrage. On distingue trois types d essais différents, appelés Testing Type (TT): TT-1 Autocontrôle de production de la centrale à béton et contrôles sur le chantier dans le cadre de l assurance qualité TT-2 Contrôle des propriétés du béton d un élément d ouvrage ou de l ouvrage. Alternative à TT-1 sur le chantier. Il ne remplace pas les essais exigés par l autocontrôle de production TT-3 Contrôle ultérieur des propriétés sur carottes du béton d ouvrage (p. ex. en cas de doutes ou en cas d expertise). Essai sur chantier Essai de conformité 124 Holcim guide pratique du béton

270 Classe de résistance à la compression sans exigences Critères Classes d exposition Sorte de béton Classe de prévention RAG X0, XC1, XC2, XC3, XC4, XD1, XD2a, XF1 Classe d exécution A, B, C, P3, P4 P1 1 Tab : Classes d exécution des bétons selon la norme SN EN sans exigences XD2b, XD3, XF2, XF3, XF4, XA, XAA D, E, F, G, P1, P2 P2 2 C55/67 sans exigences sans exigences P3 3 Essais Exigences relatives aux échantillons et éprouvettes Type d essai Critères pour l évaluation des résultats Béton frais Selon norme SN EN ff. Spécifique au projet Confection selon norme SN EN Tab : Possibilités de contrôle des propriétés du béton selon la norme SN EN Résistance à la compression sur cube 1) Cure et conservation selon norme SN EN Essai selon norme SN EN Spécifique au projet Résistance à la compression sur carottes Carottages selon norme SN EN Âge, cure et/ou conservation variables Essai selon norme SN EN Norme SN EN Propriétés de durabilité sur éprouvettes confectionnées et conservées de manière normalisée Confection selon SN EN Cure, conservation et préparation selon l annexe correspondante de la norme SIA 262/1 Essais selon l annexe correspondante de la norme SIA 262/1 TT-1 Valeurs limites selon SN EN Propriétés de durabilité sur des carottes (âge 21 jours) Carottage selon norme SN EN pendant le temps entre la fin de traitement de cure et un âge du béton de 21 jours Conservation et préparation selon l annexe correspondante de la norme SIA 262/1 TT-2 Début de l essai aprés 28 jours selon l annexe correspondante de la norme SIA 262/1 Valeurs indicatives selon SN EN Carottage selon norme SN EN à un âge de béton supérieur à 21 jours Propriétés de durabilité sur carottes (âge 21 jours) Conservation et préparation non définies Essais selon l annexe correspondante de la norme SIA 262/1. Début des essais aprés 28 jours. TT-3 aucun 1) Pour d autres propriétés mécaniques que la résistance à la compression, la confection, cure et conditionnement sont identiques, mais les essais suivent d autres normes d essai. Holcim guide pratique du béton 125

271 3. Du Vom béton Frischbeton frais au zum béton Festbet durciton 3. Du béton frais au béton durci 3.11 Assurance de la qualité sur le chantier Les essais du béton sur le chantier sont à répartir régulièrement durant les périodes de bétonnage. En l absence de prescriptions spécifiques au projet, la fréquence des essais correspond à celle indiquée dans les tableaux et La fréquence d essai sur carottes pour les types d essais TT-2 et TT-3 est à spécifier en fonction du projet. Le nombre d éprouvettes à fabriquer pour les essais de béton durci des classes d exécution 2 et 3 dépend soit des quantités produites soit des durées de bétonnage. Il faut appliquer la règle qui donne le plus grand nombre d essais. Les essais doivent être réalisés en principe pour chaque béton. Les bétons avec les mêmes constituants et un même rapport E/C, mais avec un granulat d un diamètre maximal différent, peuvent être considérés comme une famille de béton avec un nombre d essais adapté en fonction. La fréquence des essais de résistance à la RAG doit être définie en fonction du projet. La transposition des résultats de l essai de performance est réglée dans le cahier technique SIA La fréquence des essais de résistance aux sulfates doit être définie en fonction du projet. La transposition des résultats d essai de résistance aux sulfates est à évaluer par un spécialiste. La même règle s applique au retrait et au fluage. Les critères de conformité des propriétés de béton frais et durci pour le type d essai TT-1 sont décrits au chapitre Les critères d acceptation des résultats des essais de durabilité pour le type d essai TT-2 sont indiqués au tableau Ces valeurs indicatives ne peuvent être employées comme valeurs limites que si leur applicabilité a été prouvée par des essais. Elles peuvent être modifiées en fonction du projet. Les critères d acceptation du module d élasticité, du retrait et du fluage sont aussi à définir en fonction du projet. La procédure d épreuve de la résistance à la RAG n est pas adaptée aux carottes. Pour le type d essai TT-3 selon la norme SIA 262/1, il n existe pas de critères d acceptation. Tab : Fréquence des essais de béton frais sur le chantier pour béton à propriétés spécifiées selon la norme SN EN Essai sur béton frais Bulletin de livraison chaque livraison Examen visuel (homogénéité d aspect) par sondage Classe d exécution chaque livraison Consistance Masse volumique et teneur en air Rapport E/C Teneur en air du béton avec un entraîneur d air 1) en cas de doutes en cas de doutes sans exigence sans exigence lors du premier bétonnage pour chaque famille de béton et tous les 200 m 3 et en cas de doutes lors du premier bétonnage pour chaque famille de béton et tous les 200 m 3 et en cas de doutes lors du premier bétonnage pour chaque famille de béton et tous les 200 m 3 et en cas de doutes lors du premier bétonnage pour chaque famille de béton et tous les 200 m 3 et en cas de doutes 1) essai sur béton frais seulement en cas d emploi d un entraîneur d air Fig : Contrôle de béton frais sur le chantier. 126 Holcim guide pratique du béton

272 Essai sur béton durci Résistance à la compression Perméabilité à l eau en cas de doutes Classe d exécution éprouvettes par famille de béton au moins 2 fois ou tous les 400 m 3 ou tous les 5 jours de bétonnage 1) spécifique au projet 3 éprouvettes par famille de béton au moins 2 fois ou tous les 200 m 3 ou tous les 3 jours de bétonnage 1) Tab : Fréquence des essais de béton durci sur éprouvettes confectionnées et conditionnées conformément à la norme (types d essai TT-1 selon norme SIA 262/1) selon la norme SN EN Résistance à la carbonatation Résistance aux chlorures Résistance au gel/dégel en présence de sels de déverglaçage spécifique au projet sans exigence sans exigence 1 éprouvette par famille de béton au moins 2 fois ou tous les 800 m 3 ou tous les 10 jours de bétonnage 2) 1 éprouvette par famille de béton au moins 2 fois ou tous les 800 m 3 ou tous les 10 jours de bétonnage 2) 1 éprouvette par famille de béton au moins 2 fois ou tous les 800 m 3 ou tous les 10 jours de bétonnage 2) 1 éprouvette par famille de béton au moins 2 fois ou tous les 400 m 3 ou tous les 5 jours de bétonnage 1) 1 éprouvette par famille de béton au moins 2 fois ou tous les 400 m 3 ou tous les 5 jours de bétonnage 1) 1 éprouvette par famille de béton au moins 2 fois ou tous les 400 m 3 ou tous les 5 jours de bétonnage 1) Résistance à la RAG sans exigence spécifique au projet Résistance aux sulfates sans exigence spécifique au projet Module d élasticité Fluage Retrait spécifique au projet spécifique au projet spécifique au projet 1) ou une fois par semaine calendaire, en cas de bétonnage de plus de 5 jours pendant 7 jours calendaires consécutifs 2) ou une fois toutes les deux semaines calendaires, en cas de bétonnage de plus de 10 jours pendant 14 jours calendaires consécutifs Essai Essai selon norme SIA 262/1 Valeur moyenne indicative Valeur indicative de la moyenne plus l écart maximum admissible Perméabilité à l eau qw Annexe A 12 g/m 2 h 14 g/m 2 h Résistance à la carbonatation K N 1) 50 ans 2) 5.3 mm/an 1/2 5.8 mm/an 1/2 XC3: 4.3 mm/an 1/2 XC3: 4.6 mm/an 1/2 Annexe I 100 ans 2) XC4: 4.8 mm/an 1/2 XC4: KN 5.1 mm/an 1/2 Résistance aux chlorures DCl Annexe B m 2 /s m 2 /s Tab : Valeurs indicatives pour la valeur moyenne et la valeur moyenne plus l écart maximum admissible des essais de durabilités selon la norme SIA 262/1 (type d essai TT-2) selon la norme SN EN Résistance au gel/dégel en présence de sels de déverglaçage moyenne élevée Annexe C m 1500 g/m 2 m 2200 g/m 2 m 300 ou m 800 g/m 2 et m28 ( m6 + m14) m 400 ou m 1000 g/m 2 et m28 ( m6 + m14) Résistance aux sulfates Annexe D l 1.2 spécifique au projet 1) les valeurs limites sont valables pour l épaisseur d enrobage selon la norme SIA 262 2) durée de service Holcim guide pratique du béton 127

273

274 Chapitre 4 Bétons avec mise en œuvre particulière 4.1 Béton pompé Introduction Exigences normatives Technologie du béton Recommandations pour le pompage du béton Béton projeté Introduction Exigences normatives Technologie du béton Recommandations pour la planification du béton projeté Béton autoplaçant Introduction Exigences normatives Technologie du béton Recommandations pour la planification du béton autoplaçant Monobéton Introduction Exigences normatives Technologie du béton Recommandations pour la planification du monobéton 152

275 4. Bétons avec mise en œuvre particulière 4. Bétons avec mise en œuvre particulière 4.1 Béton pompé 4.1 Béton pompé Introduction Le pompage du béton a fait ses preuves durant les dernières décennies comme un moyen moderne et économique de mise en place. Un béton frais est apte au pompage, si sa consistance permet un transport à l aide d une pompe, tout en restant homogène pendant le processus de pompage. Le béton pompé se prête au bétonnage de tous les éléments de construction, en particulier lorsqu une cadence élevée de bétonnage est exigée ou en cas d accès difficile au lieu du bétonnage. Le pompage du béton offre les avantages suivants: une mise en place rapide (selon la section de l élément entre 30 à 150 m 3 /heure, normalement env. 90 m 3 /heure) il ne nécessite pas de grue, respectivement la grue peut être occupée à d autres travaux une mise en place aussi possible en cas d ouvrages difficilement accessibles, p. ex. des éléments couverts, des tunnels une mise en place aisée pour l équipe de bétonnage un remplissage propre du coffrage il permet d opérer à de grandes distances, malgré des différences de hauteur importantes, jusqu au lieu du bétonnage (distance de transport jusqu à 2000 m et différence de hauteur jusqu à 500 m) la mise en place continue et rapide favorise la qualité, les couches de bétonnage sont moins visibles grâce à une mise en œuvre plus rapide pour un mur, il permet d éviter de grandes hauteurs de déversement du béton par l introduction du tuyau de pompage au fond du coffrage. Le pompage s est imposé comme le moyen le plus rapide de transbordement du béton en comparaison avec la brouette ou la benne. La figure donne de manière exemplaire les temps de transbordement pour 8 m 3 de béton prêt à l emploi. Grâce au pompage, le béton peut être mis en place avant qu il raidisse sensiblement. Ceci se répercute positivement sur la qualité du béton, notamment pour le béton de parement et les bétons à hautes exigences de durabilité. Déversement de 8 m 3 de béton pompe 30 m 3 /h 3 personnes durée de déchargement 12 min grue 6 m 3 /h avec une benne de 200 l et 2 min de transport 5 personnes durée de déchargement 60 min brouette 3 m 3 /h avec 6 brouettes à 50 l et 6 min de transport 7 personnes durée de déchargement 120 min Fig : Ordres de grandeur du temps nécessaire au déchargement de 8 m 3 de béton en fonction des différentes méthodes de transbordement. Dans la pratique, on distingue les pompes mobiles des pompes stationnaires (fig et 4.1.3). Lorsque la distance de transport et/ou le volume de béton sont peu importants, on peut aussi recourir à un camion malaxeur pompe. 130 Holcim guide pratique du béton

276 Fig : Bétonnage d un radier à l aide d une pompe mobile, alimentée par camions malaxeurs. Fig : Transbordement du béton à l aide d une pompe stationnaire (sur remorque) avec un tuyau de pompage fixe, alimentée par camions malaxeurs Exigences normatives Le béton pompé doit remplir, comme le béton mis en place à la grue, les exigences de base de la norme SN EN L aptitude au pompage «béton pompé» doit être spécifiée comme exigence complémentaire Technologie du béton Ciment Tout ciment admis par la norme SN EN convient en principe pour la production de béton pompé. Granulat Granularité La distribution granulométrique du granulat doit être choisie de manière à ce que la courbe granulométrique soit la plus continue possible. Le granulat doit, non seulement posséder une granularité continue, mais aussi permettre une teneur suffisamment élevée en mortier fin. Les variations granulométriques, notamment de la classe granulaire 0/4 mm (sable), sont souvent à l origine des difficultés de pompage. La classe granulaire 4/8 mm doit être limitée au maximum à 10 % (fig ). Forme des grains Les formulations de béton avec du granulat concassé exigent une teneur plus élevée en pâte de ciment et une pression de pompage plus élevée. Diamètre maximal du granulat En première approche, on applique la règle suivante: le diamètre du tuyau de pompage doit correspondre au moins au triple du diamètre maximal du granulat. Si l on pompe un béton contenant un granulat concassé avec un D max = 32 mm dans un tuyau d un diamètre de 100 mm, la teneur en grains supérieurs au diamètre maximal ne devrait pas excéder 5 % de la masse. Teneur en farine et volume du mortier fin La teneur en farine et le volume du mortier fin représentent des grandeurs indicatives importantes de la technologie du béton pompé. Le mortier fin est constitué des farines, d eau, des éventuels adjuvants et du granulat < 2 mm. Il est un facteur important dans la formulation du béton pompé. Il doit enrober complètement tous les gravillons, afin d assurer la couche de lubrification indispensable de la paroi du tuyau de pompage (fig ). Si le volume de mortier fin est trop petit, la pression de pompage n est pas transmise par le mortier, mais surtout Champ favorable de granularité apte au pompage 0/16 Champ favorable de granularité apte au pompage 0/32 Passants [% en masse] Ouverture du tamis [mm] Passants [% en masse] Ouverture du tamis [mm] Fig : Courbes granulométriques pour béton pompé avec D max = 16 mm (gauche) et D max = 32 mm (droite). Les granularités ayant fait leurs preuves se situent dans le champ délimité par les courbes rouges (échelle logarithmique). Holcim guide pratique du béton 131

277 4. Bétons avec mise en œuvre particulière 4.1 Béton pompé Fig : Couche de lubrification entre le béton et la face interne du tuyau de pompage. par le contact entre les granulats. Il en résulte une pression transversale surélevée à cause de l effet de cale des gros grains, qui sera encore renforcée par le frottement. Un tel béton montre une grande résistance au pompage, il ne se laissera que difficilement pomper ou provoquera des bourrages. La rentabilité du pompage en sera affectée. Un béton apte au pompage doit présenter une bonne cohésion et un bon pouvoir de rétention d eau. Ceci permet d éviter des ségrégations du béton dans la pompe, notamment lors des interruptions de pompage. couche de lubrification direction de pompage tuyau de pompage Additions Parmi toutes les additions, la cendre volante est la plus appropriée. Grâce à sa forme sphérique, elle influence positivement l aptitude au pompage des bétons qui peut être améliorée par un dosage de 30 à 50 kg/m 3. De plus, elle est caractérisée par une faible demande en eau. En cas d utilisation d un granulat essentiellement concassé, elle est employée en complément pour ajuster la granularité (augmentation de la teneur en granulat fin). Adjuvants En règle générale, l emploi de fluidifiant est nécessaire pour obtenir une consistance adéquate du béton pompé. Pour améliorer l aptitude au pompage, on peut recourir à ce que l on appelle des aides de pompage, qui améliorent la consistance du béton frais, réduisent le ressuage et empêchent la ségrégation. Les aides de pompage ne peuvent pas se substituer à une optimisation de la formulation du béton en vue de réduire la teneur en farine et le volume de mortier fin qui restent indispensables. Tab : Valeurs indicatives de la teneur en farine et du volume de mortier fin pour des bétons pompés avec un granulat essentiellement roulé en fonction de son diamètre maximal. Pour contrôler l aptitude suffisante au pompage, on doit prendre en considération la teneur en farine ainsi que le dosage en ciment et finalement le volume de mortier fin. Le tableau présente des valeurs indicatives pour des bétons pompés avec un granulat roulé. En cas d utilisation d un granulat en majeure partie concassé, ces valeurs sont à augmenter d au moins 10 %. Diamètre maximal du granulat [mm] granulat Teneur en farine* [kg/m 3 ] pâte de ciment Volume de mortier fin** [l/m 3 ] * masse de ciment, additions et granulats mm ** volume de ciment, additions, granulats 2 mm, eau, adjuvants et air Ouvrabilité et consistance Le pompage d un béton à consistance raide nécessite une plus haute pression pour garantir le refoulement qu un béton à consistance plastique. De ce fait, les bétons à consistance ferme ou plastique se prêtent mieux au pompage. En cas d emploi de bétons à consistance plastique, il faut s assurer qu ils possèdent un volume de mortier fin assez grand pour une stabilité et une cohésion suffisante et qu ils ne montrent pas de tendance à la ségrégation. Ceci peut conduire à des bouchons dans les tuyaux de pompage. Par conséquent, la consistance recommandée pour des bétons pompés correspond à un étalement entre 420 mm et 480 mm (F3) et alternativement, bien que les méthodes de mesures soient moins adaptées, à un indice de serrage selon Walz entre 1.10 et 1.04 (C3). Les bétons autoplaçants (BAP) sont toujours aptes à être pompés. Mise en place et compactage Démarrage du pompage La lubrification de la face interne du tuyau exige une certaine quantité de pâte de ciment. Au moment du démarrage du pompage, cette pâte de ciment est soustraite au béton qui passe en premier par le tuyau. Pour cette raison, le pompage du béton doit être précédé de l envoi d une gâchée de lubrification enrichie en pâte de ciment. Les gâchées de lubrification sont de plus en plus rarement fabriquées sur le chantier, mais commandées à la centrale à béton. Pour une distance de pompage de 100 m, une gâchée de 500 litres suffit normalement de lubrification. Elle est composée de deux parts de ciment pour une part de sable et une part d eau. L emploi d un retardateur est recommandé lorsque de longues durées d ouvrabilité sont exigées. Une plus grande quantité de gâchée de lubrification est à choisir en fonction du diamètre des 132 Holcim guide pratique du béton

278 tuyaux et pour des distances de pompage plus grandes (tab ). La gâchée de lubrification (env. 0.5 m 3 ) ne doit en aucun cas être utilisée pour des éléments porteurs et doit être éliminée correctement. Longueur du tuyau de pompage [m] Volume de gâchée de lubrification [l] Diamètre du tuyau de pompage 100/125 [mm] Diamètre du tuyau de pompage 150/180 [mm] Tab : Volume de gâchée de lubrification recommandé en fonction du diamètre du tuyau et de la distance de pompage. Pompage des bétons spéciaux Bétons fibrés L addition de fibres réduit de manière générale l ouvrabilité du béton. Les fibres polymères (fibres PP ou PVA) diminuent, même en petites quantités (1 à 2 kg/m 3 ), la consistance du béton. Les fibres en acier (30 à 50 kg/m 3 ) n ont qu une faible influence sur la consistance du béton, mais peuvent provoquer des bourrages à l endroit des changements de diamètre ou des coudes dans la tuyauterie. La perte de consistance due aux fibres peut être compensée par une augmentation de la pâte de ciment. En gardant constant le rapport E/C, p. ex. à 0.50, et la teneur en sable, on peut augmenter le volume de pâte de ciment de 17 l/m 3 par un ajout de 20 kg de ciment et 10 litres d eau. Dans la pratique, une augmentation seule de la teneur en sable s est avérée peu efficace. La durée de malaxage doit être prolongée à 120 secondes en cas d ajout de fibres Recommandations pour le pompage du béton Généralités Pour garantir un pompage rentable du béton, il faut observer les indications suivantes: pour que l opération de pompage se déroule de manière coordonnée et sans problème, un contact doit être établi suffisamment tôt entre l entreprise de construction, l entreprise de pompage et le fournisseur du béton. la fréquence des livraisons du béton et les performances de la pompe doivent être adaptées au rythme de mise en place par l équipe de bétonnage. le transport du béton jusqu à la pompe doit être effectué par camion malaxeur afin d éviter tout risque de ségrégation. Aspects de sécurité lors de l emploi des pompes à béton Le transport et la mise en place du béton pompé comporte des risques. Pour y pallier, il faut, en particulier, vérifier les points suivants: une pression plus élevée du béton pompé sur les coffrages verticaux doit être prise en compte aucune ligne électrique aérienne ne traverse l espace de travail. la surface de l emplacement prévu pour la pompe est suffisamment grande pour que les stabilisateurs de la pompe à béton puissent être déployés complètement (danger de basculement) la capacité portante de l emplacement de la pompe et ses accessoires est suffisante. Béton léger En règle générale il est possible de pomper des bétons légers avec une masse volumique supérieure à 1600 kg/m 3. Des essais préliminaires sont recommandés. Béton à air entraîné Une teneur en air entraîné > 5 % vol. peut diminuer les performances de la pompe sur de longues distances de pompage. Selon la distance et la hauteur de transport, la pression de pompage peut s élever pour de courts moments à 150 bar, induisant une compression des pores d air dans le béton frais. Le pompage influence non seulement la teneur et la distribution des pores d air, mais aussi l ouvrabilité. Le contrôle du béton frais d un béton à air entraîné doit toujours se faire après le pompage. La perte des pores d air par le pompage peut atteindre 0.5 à 2 % vol. et doit être compensée par un dosage corrigé de l entraîneur d air. Holcim guide pratique du béton 133

279 4. Bétons avec mise en œuvre particulière 4. Bétons avec mise en œuvre particulière 4.2 Béton projeté 4.2 Béton projeté Introduction L appellation «béton projeté» se réfère à un procédé de mise en œuvre qui consiste à amener le béton sous pression dans un tuyau ou une conduite étanche jusqu au lieu de mise en place où il est projeté violemment contre la surface d application. Le béton se compacte de luimême grâce à l effet d impact (énergie de compactage). Lors de l impact du béton contre la surface d application, une partie du matériau projeté rebondit et tombe, cette partie est appelée rebond ou refus. Le béton projeté se distingue par différents avantages: une application dans toutes les directions grâce à la bonne adhésion instantanée sur le substrat du béton projeté sous haute pression (accrochage) il est applicable sur toutes les aspérités du support une épaisseur de couche absolument libre en fonction des conditions locales un bétonnage sans coffrage une exécution possible aussi en tant que béton projeté armé (barres, fibres d armatures) un effet de voile porteur rapidement atteignable sans coffrage et immédiat. Les avantages du procédé de projection par voie humide se manifestent surtout dans: l augmentation du rendement de la projection, dans des cas particuliers jusqu à 25 m³/h la réduction de 2 à 4 fois de la quantité de rebond l amélioration nette des conditions de travail grâce à la réduction des émissions de poussières la baisse des coûts liés à l usure de la machine à projeter la réduction du besoin en air comprimé lors de la projection l amélioration des propriétés mécaniques et de durabilité grâce à un dosage contrôlé de l eau de gâchage Béton projeté par voie sèche air propulseur mélange sec machine à projeter par voie sèche eau de gâchage et évtl. adjuvants liquides toujours transport à flux dilué surface d application buse de projection Il existe deux méthodes de mise en œuvre du béton projeté: par voie sèche et par voie humide (fig et tab ). Elles se distinguent par la composition du mélange et le type de machine à projeter. Dans le procédé de projection par voie sèche, le mélange introduit dans la machine est sec et l eau de gâchage est ajoutée au niveau de la buse de projection, le cas échéant avec un accélérateur de prise. Dans le procédé par voie humide, l eau de gâchage est incorporée au mélange dès le départ. Pour obtenir la pression nécessaire, le mélange est additionné d air comprimé à la sortie de la buse. Béton projeté par voie humide air propulseur mélange humide machine à projeter par voie humide transport à flux dilué surface d application tuyau en acier Le béton projeté par voie humide est employé lorsque de hautes qualités de béton durci et un fort rendement de projection sont exigés. mélange humide pompe à béton air propulseur et évtl. adjuvants liquides transport à flux dense surface d application buse de projection Fig : Procédés de projection du béton. 134 Holcim guide pratique du béton

280 Fig : Mise en œuvre du béton projeté au moyen d un robot de projection. Fig : Béton projeté par voie sèche pour la consolidation d une fouille. Procédé par voie Sèche Humide Teneur en eau des granulats < 5 % en masse sans exigences Diamètre maximal 8 (max. 16) mm Tab : Détails des procédés de projection par voie sèche et humide. Ciment ciment selon SN EN Dosage en ciment 350 kg/m kg/m 3 Début de prise sans accélérateur Ajout séparé d un accélérateur à la buse > 120 minutes oui Lieu de fabrication du mélange centrale à béton ou mélange sec centrale à béton Type de machine de projection rotor (pneumatique) pompe à béton (hydraulique) Teneur en eau du mélange < 4 % en masse, terre humide humide Principe de transport à flux dilué (transport par flux d air comprimé) à flux dense (transport par pression de pompage) / à flux dilué (transport par flux d air comprimé) Le procédé de projection par voie sèche est toujours choisi en cas de petites quantités et de faible rendement nécessaire, mais d exigences maximales et indispensables quant à la résistance au jeune âge, p. ex. pour des étanchéités provisoires en cas de fortes venues d eau. Les champs d application principaux du béton projeté par voie sèche sont, entre autres, les remises en état des ouvrages en béton, les travaux d étanchéité, les travaux de consolidation préliminaire (en cas d importantes venues d eau) ainsi que pour les travaux mineurs de projection (mélange stocké en silo sur place). Les grandes quantités de rebond, les émissions de poussière et les coûts plus élevés liés à l usure de l équipement diminuent la rentabilité du procédé de projection par voie sèche. Les avantages du béton projeté par voie sèche résident surtout dans: une haute flexibilité un concept logistique indépendant du temps des résistances au jeune âge maximales une disponibilité quasi illimitée du matériau stocké en silo pas de reste de béton Holcim guide pratique du béton 135

281 4. Bétons avec mise en œuvre particulière 4.2 Béton projeté Exigences normatives Exigences Norme d essai Spécifications En principe, la norme SN EN et les normes produits associées des composants ciment, additions, granulats et adjuvants sont à respecter, ainsi que les essais qu elles préconisent tant qu ils sont applicables au béton projeté. Selon le champ d application, des normes supplémentaires priment sur la norme SN EN relative au béton projeté (tab ). Résistance au jeune âge SN EN Profondeur de pénétration d eau sous pression Perméabilité à l eau Comportement au feu SN EN SIA 262/1, annexe A définition spécifique au projet Adhérence par traction directe SN EN 1542 Tab : Bases normatives spécifiques au béton projeté. Norme SN EN Désignation Béton projeté Partie 1: Définitions, spécifications et conformité Résistance à la flexion SN EN Capacité d absorption d énergie (pour béton projeté armé avec fibres) SN EN ou SIA 162/6 annexe 1 SN EN SIA 198 SIA 269/2 Béton projeté Partie 2: Exécution Constructions souterraines Exécution (travaux souterrains, soutènement) Maintenance des structures porteuses structures en béton (remise en état et renforcement des ouvrages en béton, structures souterraines) Tab : Exigences complémentaires spécifiques au béton projeté et les normes d essais correspondantes. Méthode d essai Méthode de pénétration d une aiguille selon SN EN Moment de l essai après la projection [h] Plage de résistance au moment de la mesure [N/mm 2 ] Il est recommandé de spécifier le béton projeté comme béton à propriétés spécifiées. Les exigences de la norme SN EN 206-1, éléments nationaux inclus, s appliquent à l exception du dosage minimal en ciment. Pour les classes d exposition, la norme SIA 198 règle, pour les constructions souterraines, l attribution de classes de béton projeté (tab ). Le béton projeté pour la maintenance des constructions est réglementé par la norme SIA 269/2. Pour la spécification du béton projeté à propriétés spécifiées, les exigences de base sont à définir de manière analogue au béton courant. La classe de consistance sera définie pour le béton projeté par voie humide. D autres exigences complémentaires spécifiques au béton projeté peuvent être définies (tab ). Contrôle Le contrôle du respect des exigences des propriétés du béton durci se fait normalement sur des carottes. La résistance au jeune âge est mesurée sur place, soit par la Méthode d enfoncement d un clou fileté selon SN EN Résistance à la compression sur carottes à diamètre et hauteur de 50 mm selon SN EN > 16 > 10 Tab : Aperçu des méthodes de mesure de la résistance au jeune âge. méthode de pénétration d une aiguille ou la méthode du clou à tête filetée selon la gamme de résistance attendue (tab ). On distingue trois classes de résistance initiale J 1, J 2 et J 3 pour décrire le développement de la résistance du béton projeté jeune durant les 24 premières heures (fig ). Ces classes de résistance initiale sont attribuables à différents domaines d application (tab ). Tab : Exigences relatives au béton projeté et champs d application recommandés pour les constructions souterraines selon la norme SIA 198. Classes de béton projeté Propriétés SC1 SC2 SC3 SC4 SC5 SC6 SC7 Classes de béton projeté C16/20 C25/30 C25/30 C30/37 C30/37 C30/37 C35/45 Classe d exposition X0 X0 XA1, XD1 XA1, XD1 XA2, XD1 XA1, XD1, XC3, XF3 XA1, XD3, XC3, XF3 Diamètre max. du granulat [mm] Classe de teneur en chlorures Cl 1.0 Cl 1.0 Cl 1.0 Cl 0.2 Cl 0.2 Cl 0.2 Cl Holcim guide pratique du béton

282 Résistance à la compression [N/mm 2 ] classe J 3 classe J 2 classe J Minutes Heures entre courbes A et B: classe J 1 entre courbes B et C: classe J 2 au dessus de la courbe C: classe J 3 Fig : Classes de résistance du béton projeté au jeune âge selon SN EN C B A Classe J 1 J 2 J 3 Domaine d application Réalisation de couches minces sur un support sec, sans exigences statiques particulières. Il ne génère que peu de poussière et de refus. Réalisation de couches épaisses mises en place à une cadence élevée (également vers le haut), ainsi qu en cas de faibles venues d eau et de sollicitations dues à des travaux suivant immédiatement la projection, p. ex. le forage de trous d ancrage, le fonçage de lances, des minages provoquant des ébranlements, sollicitations subites, p. ex. par poussée du massif. Application qu en cas justifié, p. ex. de venues d eau importantes ou d un support instable, puisqu il faut compter avec des émissions accrues de poussière et une augmentation du refus. Tab : Domaines d application des classes de résistance du béton projeté selon la norme SN EN Technologie du béton Ciment Il est primordial de choisir pour un béton projeté des ciments d une grande finesse et avec un développement rapide de la résistance, comme p. ex. le Robusto 4R-S. La classe de résistance du ciment devrait être de 42,5 ou supérieure. Selon le procédé de projection, le dosage en ciment du béton varie entre 300 kg/m 3 et 450 kg/m 3. Granulat La granularité doit correspondre à une courbe granulométrique continue. La figure montre l exemple d une courbe granulométrique pour un béton projeté avec D max = 8 mm. Une forte proportion de gros grains a un effet néfaste sur le refus. Le diamètre maximal du granulat doit être limité à un tiers du diamètre du tuyau de transport. Un granulat naturellement roulé pro voque Grave 0/8 mm pour béton projeté, catégorie GA85 Passants [% en masse] Ouverture du tamis [mm] Fig : Courbes granulométriques pour béton projeté avec D max = 8 mm. Les granularités ayant fait leurs preuves se situent dans le champ délimité par les courbes rouges (échelle logarithmique). moins d usure de l équipement (buse, tuyauterie) qu un granulat concassé. La teneur en farine pour un béton projeté D max = 8 mm doit se situer entre 450 kg/m 3 et 500 kg/m 3 pour obtenir des conditions optimales d ouvrabilité, de cohésion et de résistance initiale (champ rose à la figure 4.2.7). Adjuvants Une prise rapide est indispensable pour un béton projeté. De ce fait, on a recours aux accélérateurs de prise pour diminuer le temps de passage de l état plastique à l état solide (voir aussi chapitre 1.4). Les accélérateurs de prise permettent d appliquer plus rapidement des couches plus épaisses (env. 10 à 15 cm vers le haut). Le dosage prescrit de l accélérateur doit être vérifié au moyen d un essai de rendement. Pour des raisons d hygiène et de sécurité de travail, seuls les accélérateurs de prise sans alcalins sont permis en Fig : Coque en béton projeté. (Source: Simone Mengani, Chiasso). Holcim guide pratique du béton 137

283 4. Bétons avec mise en œuvre particulière 4.2 Béton projeté Suisse pour les bétons projetés. L effet des accélérateurs sans alcalins, essentiellement à base d aluminates, repose sur deux réactions chimiques, qui se recoupent dans le temps et s influencent mutuellement (voir chapitre 2.1.2): la réaction des aluminates due à l addition de l accélérateur (réaction du C 3 A) la réaction des silicates du ciment (réaction C 3 S) La figure illustre schématiquement le développement au cours du temps de la résistance à la compression d un béton projeté accéléré ainsi que les différentes phases des réactions chimiques. En plus des accélérateurs, on emploie aussi des fluidifiants, stabilisateurs et aides de pompage pour le béton projeté par voie humide. La température du béton doit être supérieure à 15 C. Additions Parmi toutes les additions admises, la fumée de silice est la plus efficace, puisqu elle améliore autant les propriétés du béton frais et que celles du béton durci. L addition de fumée de silice (voir chap. 1.5) au béton projeté conduit à: un refus et des émissions de poussières moindres grâce à son caractère collant une aptitude au pompage améliorée une résistance mécanique plus élevée une densité microstructurale plus élevée, d où une meilleure résistance vis-à-vis des infiltrations de solutions agressives une haute durabilité (p. ex. résistance au gel/dégel en présence de sel de déverglaçage, résistance aux sulfates) Résistance à la compression f c [N/mm 2 ] min 3h 10h 24h 28d Temps béton projeté accéléré réaction des aluminates due à l addition de l accélérateur (réaction du C 3 A) réaction des silicates du ciment (réaction du C 3 S) Fig : Développement de la résistance à la compression d un béton projeté accéléré. (Source: Sika Suisse SA, Zurich). Pour augmenter la capacité portante du béton projeté, des fibres polymères ou en acier sont ajoutées. Le plus souvent, on a recours à des fibres en acier, qui augmentent surtout la résistance à la traction et la capacité d absorption d énergie. Rapport E/C Comme dans le béton courant, le rapport E/C a une influence décisive sur la résistance et la durabilité. La valeur varie entre 0.45 et 0.55 pour le béton projeté par voie sèche et dépend de l estimation subjective de la personne qui manipule la buse. Dans le cas du procédé de projection par voie humide, le rapport E/C est plus facilement contrôlable. Les rapports E/C habituels se situent entre 0.40 et Fig : Influence de la teneur en farine sur les propriétés d un béton projeté D max = 8 mm. (Source: Sika Suisse SA, Zurich). Teneur en ciment et en additions réactives [kg/m 3 ] teneur en farine > 500kg/m 3 domaine optimal d ouvrabilité, de structure, de cohésion et de résistance au jeune âge teneur en farine < 450kg/m 3 teneur en farine < 400kg/m 3 4 liant < 400kg/m teneur en farine < 350kg/m Farine 0.125mm provenant du granulat et des additions inertes [kg/m 3 ] 1 mauvaise adhérence au support rupture par décollement 2 risques de sédimentation et de ressuage blocages 3 mauvaise ouvrabilité mauvaise aptitude au pompage 4 béton collant mauvaise miscibilité de l accélérateur au béton 5 basse résistance au jeune âge 138 Holcim guide pratique du béton

284 4.2.4 Recommandations pour la planification du béton projeté Technique de la mise en place Le béton projeté représente la technique de mise en place qui requiert le plus de connaissances et de savoir-faire. Densité et durabilité ainsi que rebond et formation de poussières résultent non seulement de la technologie du béton, mais aussi de la technique de mise en place (tab ). Pour ces raisons, les travaux en béton projeté sont généralement confiés à des entreprises spécialisées qui disposent du personnel qualifié et des machines nécessaires. Malaxeur Transport intermédiaire Transbordement dans la machine à projeter Machine à projeter Tuyau de transport Technique de buse Type Durée de malaxage Dosage Engin de transport Durée de transport Protection contre la dessiccation/pluie Température ambiante Mode de transbordement Malaxage ultérieur Durée de transbordement Type Mode de transport Opérateur/entretien Pression Capacité Matériau (plastique, métallique) Géométrie (longueur, rayon de courbure, etc.) Forme géométrique Type d addition de l air, respectivement de l eau Pression de l air, respectivement de l eau Tab : Facteurs liés à la technique de mise en place influençant la qualité du béton projeté Rebond La réduction du rebond représente un des plus grands défis du procédé de projection. La quantité de refus dépend de: la compétence et l expérience de l opérateur à la buse le procédé de projection (voie humide ou sèche) la direction de projection (vers le haut, bas, horizontale) l équipement (pression de l air comprimé, buse, rendement de projection) la distance entre la buse et le support la nature du support (planéité, adhérence) la formulation du béton projeté (ciment, granulat, granularité, accélérateur, fibres) les propriétés du béton projeté (caractère collant, épaisseur de couche, résistance initiale) l armature En l absence de mesures directes de la quantité du refus dans les conditions régnant sur place, le rebond ne peut être estimé qu approximativement: le rebond du béton projeté par voie sèche varie entre % en masse le rebond du béton projeté par voie humide varie entre 5 15 % en masse La composition du rebond peut être grossièrement estimée à: % en masse de granulat 10 % en masse de ciment % en masse d eau En raison du rebond, la teneur moyenne en ciment peut augmenter de 10 à 40 % dans la couche de béton projeté. La grande proportion de granulat présente dans le rebond conduit à une réduction de la teneur en gravillons. Mesures à prendre lors de l exécution Les essais de matériaux doivent être accompagnés de contrôles d exécution spécifiques à l ouvrage, p. ex. de la présence de cavités, de l adhérence au support, du respect des profils, de l enrobage de l armature, etc. Le béton ne sera projeté que sur un support propre, nettoyé, d une température d au moins +2 C, sauf dans des cas exceptionnels (p. ex. procédé par réfrigération). Le béton projeté doit adhérer sur toute la surface d application. Les surfaces sèches d application sont à humidifier au préalable afin qu elles soutirent au béton projeté le moins d eau possible. Des mesures doivent être prises pour retenir les infiltrations d eau, notamment les venues d eau, qui détériorent le béton projeté ou altèrent son adhérence. Il est préférable de les canaliser, les capter et les évacuer. Les mesures doivent être contrôlées et maintenues jusqu à ce que le béton projeté soit capable de résister aux sollicitations. Les classes de béton projeté CBP 6 et CBP 7 à exigences élevées sont à protéger d une dessiccation précoce par des mesures particulières de cure (p. ex. vaporisation d eau). Composition du béton projeté La composition du béton projeté est formulée en fonction des exigences posées. Les tableaux et fournissent chacun un exemple de formulation pour un béton projeté par voie humide et pour un béton projeté par voie sèche. Béton projeté par voie humide La composition du béton projeté par voie humide est formulée en fonction des exigences posées au béton durci comme pour un béton à propriétés spécifiées selon la norme SN EN Le tableau donne un exemple de béton projeté par voie humide de la classe d un béton projeté CP4 selon la norme SIA 198. Holcim guide pratique du béton 139

285 4. Bétons avec mise en œuvre particulière 4.2 Béton projeté Béton projeté par voie sèche La composition du béton projeté par voie sèche est formulée en fonction non seulement des exigences posées au béton durci mais aussi à l égard des émissions de poussières et de la quantité de rebond. Pour la projection par voie sèche, la teneur en ciment est fixée et, en général, rapportée à 1000 litres de granulats en vrac. La somme des composants souvent un mélange sec de 1000 litres de granulats terre humide et de ciment occupe un volume supérieur à 1000 litres, parce que les particules de ciment enrobent le granulat et écartent ainsi les granulats. Pour une gâchée de production de 1.0 m 3 de mélange sec, le dosage des composants doit être réduit. Le tableau donne un exemple de béton projeté par voie sèche. La projection occasionne pour le matériau une perte consécutive au rebond et une réduction du volume par le compactage. Selon l exemple considéré dans le tableau 4.2.9, on obtient pour un mélange sec de 1 m 3, avec un rebond de 25 % en masse, associé à un facteur de compactage de 1.35, environ 555 litres de béton projeté mis en place. La teneur en ciment du béton projeté mis en place atteint environ 454 kg/m 3, ce qui correspond à une perte de ciment de 10 % en masse lors du rebond. Le rapport E/C du béton projeté appliqué est d environ 0.46, pour une quantité d eau de gâchage supposée de 110 kg/m 3 et une perte d eau, par le rebond, de 20 % en masse. Tab : Exemple de composition d un béton projeté par voie humide de la classe d un béton projeté CP4. Masse volumique [kg/dm 3 ] Béton projeté par voie humide CP 4 Proportion [% en masse] Teneur [kg/m 3 ] Ciment CEM II/B-M (S-T), (Robusto 4R-S) Volume [l/m 3 ] Granulat sable 0/ gravier 4/ Eau Air 15 Adjuvant fluidifiant, accélérateur selon besoin Masse volumique et volume du béton frais Rapport E/C 0.47 Propriétés du béton sélectionnées classe de résistance au jeune âge J2 Tab : Exemple de composition d un béton projeté par voie sèche. Masse volumique en vrac [kg/dm 3 ] Proportion [% en masse] Béton projeté par voie sèche Teneur [kg/m 3 ] Volume [litres] Ciment CEM II/B-M (S-T), (Robusto 4R-S) * Granulat grave terre humide (3 % en masse d eau) Mélange sec (terre humide) Adjuvant fluidifiant, accélérateur selon besoin Gâchée de production de 1.0 m 3 [kg/m 3 ] [l/m 3 ] Ciment Granulat sable 0/ gravier 4/ * correspond à un volume de 350 litres moins 100 litres compris dans les espaces vides du granulat 140 Holcim guide pratique du béton

286 4.3 Béton autoplaçant Introduction Le béton autoplaçant (BAP, en anglais: Self Compacting Concrete, abrégé SCC) et le béton vibré se distinguent par leurs propriétés de béton frais et leur mode de compactage. Le BAP n exige pas d énergie de compaction, p. ex. par vibration ou damage, et possède les propriétés suivantes: une mobilité sans ségrégation (consistance mielleuse) le dégazage du béton pendant l écoulement un remplissage complet du coffrage, y compris toutes les réservations, les espaces entre les barres d armatures, etc. avec un béton homogène l absence de tout travail de compactage. Le BAP offre une alternative au béton vibré dans de nombreux domaines comme le bâtiment, le génie civil, les tunnels, la préfabrication et la remise en état. En comparaison avec le béton vibré, le BAP possède les avantages suivants: une cadence de mise en place accrue et une exécution plus rapide un besoin en personnel plus faible un bétonnage simple des éléments de construction étroits et des éléments à armature peu espacée un remplissage des zones difficilement accessibles une qualité régulière du béton dans l ensemble de l ouvrage une plus grande liberté de façonnage la réduction des émissions de bruit lors de la mise en place l allègement du travail et la prévention des maladies induites par les vibrations des efforts réduits de finition Les bétons capables de s écouler, qui sont coulés sans vibration dans les pieux forés et parois moulées, ainsi que les bétons de la classe de consistance F5/F6, qui sont parfois utilisés dans le bâtiment, ne comptent pas parmi les bétons autoplaçant Exigences normatives Spécification Le béton autoplaçant doit satisfaire les exigences des normes SN EN et SN EN Il est spécifié en Suisse avec des classes de consistance particulières ou des valeurs cibles de l étalement au cône d Abrams et de l aptitude à l écoulement (tab ). Classe de consistance Classe Valeurs limites (résultats individuels) Classes d étalement au cône d Abrams Classes d aptitude à l écoulement (boîte en L) SF1 SF2 SF3 PL1 PL mm mm mm 0.80 avec 2 armatures 0.80 avec 3 armatures Contrôle Les propriétés du béton frais sont contrôlées à l aide de méthodes d essais spécifiques au BAP. Tab : Classes de consistance et valeurs limites pour un BAP selon la norme SN EN Fig : BAP stable: le granulat est maintenu en suspension. Holcim guide pratique du béton 141

287 4. Bétons avec particulière 4.3 mise en œuvre Béton autoplaçant 4. Bétons avec mise en œuvre particulière 4.3 Béton autoplaçant Fig : Essai d étalement au cône d Abrams selon la norme SN EN Méthode d essai d étalement (SF) Pour la détermination de l étalement, on se sert du même cône que celui prescrit par la norme SN EN Le cône est placé sur une plaque plane humidifiée suffisamment grande ( mm) et rempli de BAP. Une fois le cône soulevé, le BAP s étale sous l effet de gravité sans aucun apport d énergie de compactage. Etalement au cône d Abrams: SF = Eq d 1 + d 2 2 [mm] d 1 d 2 Fig : Evaluation qualitative de la galette d étalement au cône d Abrams. Accepter Refuser Forme régulière: résultat optimal Forme légèrement en cloche: pas assez d eau ou de fluidifiant Forme prononcée en cloche: ressuage en bordure: tendance à la ségrégation, manque de farine ou excès d eau Fig : Essai à la boîte en L selon la norme SN EN Aptitude à l écoulement (essai à la boîte en L) Le béton frais est introduit dans la partie verticale de la boîte en L, qui est séparée par une trappe de la partie horizontale. Derrière la trappe, sont disposés deux ou trois barres d armatures, entre lesquelles le béton s écoule après l ouverture de la trappe. A la fin du mouvement d écoulement, le niveau dans la partie verticale (h 1 ) et le niveau au bout de la partie horizontale (h 2 ) sont mesurés. Le rapport h 2 /h 1 est la valeur de mesure de l aptitude à l écoulement PL. De plus, il est possible de mesurer le temps d écoulement nécessaire après l ouverture de la trappe jusqu à ce que le béton atteigne l autre bout de la partie horizontale trappe 600 barres d armature rondes 150 h 1 h Holcim guide pratique du béton

288 Il est possible de spécifier, si nécessaire, d autres classes de consistance parmi les exigences complémentaires. La consistance doit être contrôlée au moment de l utilisation, respectivement pour du béton prêt à l emploi, au moment de la livraison sur le chantier. L expérience montre qu une valeur d étalement inférieure à 620 mm constitue un risque de blocage et de nids de graviers. Dès que l étalement dépasse 750 mm le risque de ségrégation s accroît fortement. Pour la plupart des applications (radiers, dalles, murs, piles), on vise dans la pratique un étalement entre 650 et 720 mm, ce qui correspond approximativement à la classe SF2. Non seulement la valeur de mesure, mais aussi la forme de la galette de béton est significative. Il faut en tenir compte lors de l évaluation du béton (fig ). Dans le cadre de l essai initial, il faut démontrer que le béton satisfait aux propriétés exigées avec une marge suffisante. Ceci concerne en particulier la robustesse visà-vis des variations de la teneur en eau, dont il faut fixer l intervalle admissible Technologie du béton Ciment En principe tous les ciments sont aptes à la fabrication de bétons autoplaçants, à condition qu ils soient admis par la norme SN EN pour les classes d exposition sélectionnées. Les ciments les plus fréquemment utilisés sont les ciments Portland composés (p. ex. Optimo 4, Bisolvo 3R ou des ciments dits sur mesure). A cause de la teneur élevée en fluidifiants, la montée en résistance du BAP est ralentie. Pour cette raison, les ciments suivants sont recommandés en cas de bétonnage par temps froid, de délais courts de décoffrage, d éléments préfabriqués à haute résistance ou sévèrement exposés: Ciment Portland (Normo 5R) pour la préfabrication d éléments élancés Ciment Portland à la fumée de silice (Fortico 5R) pour des éléments sévèrement exposés. La haute teneur en ciment du BAP peut conduire à un fort développement de la chaleur d hydratation. Pour la fabrication d éléments massifs, l emploi d un ciment de classe de résistance 32,5 est recommandé: Ciment Portland composé (Bisolvo 3R). Eau de gâchage Puisque la teneur en eau a une influence significative sur la viscosité et l autocompactage du béton autoplaçant, il est indispensable de respecter au plus près sa valeur cible. Le contrôle régulier et la prise en compte de la teneur en eau du granulat, en particulier du sable, sont donc très importants. L usage d eau résiduelle est possible, mais une teneur élevée en résidus solides a un effet négatif sur la stabilité du mélange. Granulat La porosité intergranulaire du granulat du BAP joue un rôle particulièrement important, puisqu elle détermine le volume nécessaire de pâte de ciment. En principe, il est possible d employer des granulats arrondis ou concassés. Le granulat arrondi présente l avantage d une plus petite demande en pâte de ciment grâce à sa porosité intergranulaire plus faible en vrac. A masse identique, la surface spécifique plus élevée du granulat concassé permet de le garder plus aisément en suspension. En règle générale, le BAP est confectionné avec du granulat de diamètre maximal de 16 mm afin de minimiser le risque de ségrégation et de blocage par les barres d armature. L expé- Champ de granularité recommandé pour un BAP 0/16 Passants [% en masse] Ouverture du tamis [mm] Champ de granularité recommandé pour un BAP 0/32 Passants [% en masse] Ouverture du tamis [mm] Fig : Courbes granulométriques pour au BAP avec D max = 16 mm (gauche) et D max = 32 mm (droite). Les granularités ayant fait leurs preuves se situent dans le champ délimité par les courbes rouges (échelle logarithmique). Holcim guide pratique du béton 143

289 4. Bétons avec mise en œuvre particulière 4.3 Béton autoplaçant Tab : Diamètre maximal recommandé pour le BAP en fonction de la classe de consistance. rience pratique montre qu un diamètre maximal de 32 mm peut être choisi pour la classe de consistance SF1 en cas d éléments de géométrie simple et avec un espacement suffisant des barres d armatures. La granularité se caractérise par une teneur accrue en sable et en fines. Pour une grave 0/16 mm, le passant au tamis 2 mm devrait se situer idéalement entre 38 % et 42 % en masse et la proportion < mm entre 4 à 6 % en masse. Les courbes granulométriques, pour BAP avec D max = 16 mm et D max = 32 mm, sont données à la figure Classe de consistance [-] Diamètre maximal du granulat recommandé D max [mm] SF1 16 ou 32 SF2 8 ou 16 SF3 8 PL1 16 ou 32 PL2 8 ou 16 Additions Les exigences particulières quant à la mobilité du béton autoplaçant impliquent une teneur élevée en pâte de ciment. A défaut d un ciment Portland composite, l ajout d additions est courant. En Suisse, les cendres volantes entrent le plus souvent dans la composition des BAP, mais occasionnellement des farines de roche sont utilisées. Production En principe, tous les types de malaxeurs habituels des centrales à béton prêt à l emploi, des centrales de chantier et des usines de préfabrication se prêtent à la production de béton autoplaçant. Les recommandations concernant l ordre d introduction et le dosage des composants lors du gâchage d un béton vibré sont aussi valables pour le BAP. L homogénéité du mélange et l effet optimal des adjuvants et additions dépendent essentiellement de l intensité et de la durée de malaxage. En règle générale, on part d un temps de malaxage humide de 120 secondes. Le tableau précise les recommandations concer - nant la teneur en farine (ciment, additions, granulat < mm) en fonction de différentes graves. Tab : Teneur en farine recommandée pour des BAP en fonction de la grave employée. Grave [mm] Teneur en farine [kg/m 3 ] 0/ / / Adjuvants Pour obtenir l effet fluidifiant nécessaire à un BAP, on a recours à des fluidifiants à base de polycarboxylates et éthers polycarboxiliques. De manière générale, on tiendra compte du fait qu un fort dosage en fluidifiants peut retarder le début de la prise du ciment. Fig : Coffrage mixte à poutres (h 3 m). Les stabilisateurs renforcent la stabilité du mélange, préviennent le ressuage et permettent d éviter que les gros grains soient précipités vers le fond. Ils servent surtout à compenser les effets des variations de la teneur en eau du granulat. Des entraîneurs d air spécifiques sont employés pour augmenter la résistance au gel/dégel en présence de sel de déverglaçage. Fig : Coffrage cadre (h = 3 à 5 m, selon type). 144 Holcim guide pratique du béton

290 Transport Le BAP ne peut être transporté qu en camion malaxeur à cause de sa grande mobilité. Le tambour du malaxeur doit tourner lentement pendant toute la durée du transport. Dans le cas d un terrain en forte pente, la fermeture du tambour avec un couvercle est recommandée. Avant le déchargement, le béton doit être malaxé à nouveau pendant environ 5 minutes à vitesse de rotation maximale. Coffrage La pression du béton frais et les exigences concernant la qualité de surface du béton jouent un rôle prépondérant dans le choix du type de coffrage et donc des coûts engendrés par celui-ci. Les exigences posées aux coffrages de mur des étages d une hauteur habituelle (h 3 m) sont similaires pour le BAP et le béton vibré. En principe, les mêmes coffrages en bois ou métalliques peuvent être utilisés. Les exigences, quant à la rigidité des coffrages, augmentent avec la hauteur de remplissage afin d éviter des déformations et un éventuel tassement du béton coulé. Les coffrages à poutres ou cadres (fig et 4.3.7) satisfont normalement au mieux ces exigences. Les réservations et éléments incorporés doivent être fixés de manière à pouvoir résister à la poussée du béton frais. Mise en place En comparaison avec le béton vibré, la mise en place du BAP est plus simple et nécessite habituellement, même pour de grands volumes de béton, moins de personnel. Le BAP peut être mis en place avec la plupart des méthodes conventionnelles, p. ex. à la grue, par pompage (par le haut ou par le bas) ou encore directement par la goulotte du camion malaxeur. Pour éviter les ségrégations, le béton ne doit pas tomber en chute libre dans le coffrage, bien que le BAP ait moins tendance à se démélanger en tombant qu un béton vibré. La limitation de la hauteur de déversement, en plongeant la manchette de distribution dans le béton frais, permet aussi de prévenir l occlusion d air et réduit le nombre de pores de compactage importants (fig ). Fig : Mise en place du BAP à l aide d une manchette souple fixée à l orifice de sortie de la benne. Dans la pratique, la pression du béton frais sur le coffrage peut se répartir d une manière similaire à la pression hydrostatique. La pression exercée sur le coffrage dépend essentiellement de la vitesse de remplissage, de la hauteur de déversement, des propriétés du béton frais (consistance, température, thixotropie et début de prise), de la rugosité du coffrage et de l épaisseur du mur (effet de voûte). La mesure continue de la pression exercée sur le coffrage permet de déterminer la vitesse de remplissage optimale. La mise en œuvre du BAP exige un coffrage étanche. Un coffrage vertical entre différentes étapes de bétonnage peut être réalisé à l aide d un élément en métal déployé suffisamment étayé. De même que pour les bétons usuels, des mesures pour prévenir les pertes de pâte de ciment sont à prendre, p. ex. étancher avec de la mousse de montage, obturation des ouvertures, etc. Holcim guide pratique du béton 145

291 4. Bétons avec mise en œuvre particulière 4.3 Béton autoplaçant La qualité de surface du BAP est fortement influencée par la vitesse de remplissage et le temps du dégazage autonome. Il faut noter que le dégazage du BAP dépend de la distance (recommandation 3 4 m) et de la durée d écoulement. Le dégazage dans les coffrages pratiquement clos doit être rendu possible par des ouvertures ou autres mesures à cet effet. Il faut veiller à ouvrir la benne de la grue de manière à ce que le BAP puisse s écouler lentement et régulièrement. Pour le bétonnage des murs, il est avantageux de travailler avec une manchette souple fixée à l orifice de sortie. Lors d un bétonnage à l aide d une benne de grue, il vaut mieux restreindre le nombre de points de remplissage. Ceux-ci sont à choisir en fonction des dimensions de l élément à bétonner, de la disposition et du taux d armature, de façon à ce que le BAP ne puisse pas s étaler sur une distance de plus de 5 à 10 m dans le coffrage. Dans tous les cas, il faut faire attention à ce que l écoulement horizontal soit limité afin que le béton reste homogène. Le risque de ségrégation durant l étalement est d autant plus grand que la distance d écoulement est longue et le taux d armature élevé. Avec des dalles d épaisseur supérieure à 50 cm, il peut être judicieux de mettre en place le BAP en deux couches afin de pouvoir laisser la couche inférieure se tasser et se dégazer brièvement avant de couler la seconde couche. Celle-ci doit avoir une épaisseur minimale de 10 cm pour faciliter le lissage et pour éviter que le niveau supérieur de l armature ne s imprègne. Lissage des surfaces horizontales L écoulement et l étalement gravitaire du BAP ne suffisent parfois pas pour obtenir une surface plane dans le cas de grands éléments horizontaux (radiers, revêtements, dalles). A la fin du bétonnage, il peut être avantageux de donner un coup de râteau. Une demi-heure à une heure et demie après la mise en place du BAP, un talochage de la surface est recommandé (fig ) afin de fermer les éventuelles fissures de tassement du béton frais. En principe, le lissage des surfaces de BAP est retardé en comparaison avec un béton vibré en raison de l effet retardateur des fluidifiants. Fig : Lissage par talochage de la surface d une dalle en BAP. Fig : Proportions volumiques différentes des bétons vibrés et autoplaçants. Béton vibré diamètre maximal 32mm Béton autoplaçant (BAP) diamètre maximal 16mm Cure Les bétons autoplaçants nécessitent les mêmes mesures de protection que les bétons conventionnels (chapitre 3.6). Puisque le BAP a une teneur en pâte de ciment plus élevée et un rapport E/C plus bas, le traitement de cure demande une attention particulière. Les surfaces horizontales (radiers, revêtements, dalles) sont à protéger de la dessiccation immédiatement après leur mise en place par des feuilles plastiques ou par la vaporisation d un produit de cure. vol. pâte de ciment: 280l/m 3 volume granulat (V g ): 0.125mm < V g 32mm: 720 l/m 3 vol. pâte de ciment: 365l/m 3 volume granulat V g : 0.125mm < V g 16mm: 635 l/m 3 Formulation Volume de la pâte de ciment Le volume de la pâte de ciment revêt une importance toute particulière dans la formulation. Il se compose du volume du ciment, des additions, de l eau, des adjuvants et des pores d air ainsi que des farines provenant du granulat mm. Au contraire des bétons vibrés, la pâte de ciment doit non seulement remplir les vides interstitiels entre le granulat, mais aussi offrir un excédent de volume qui permet d écarter le granulat (fig ). L excédent volumique de la pâte de ciment est à l origine de la mobilité particulière du BAP (fig ). En général, le volume excédentaire s élève à 90 à 120 l/m 3 selon le type de granulat (concassé ou roulé) et son diamètre maximal. 146 Holcim guide pratique du béton

292 La pâte de ciment doit présenter, en plus de l aptitude à l écoulement, une certaine viscosité pour maintenir les gros granulats en suspension sans qu ils s enfoncent. Le graphique à la figure illustre la corrélation entre l aptitude à l écoulement (l étalement au cône d Abrams) et la viscosité (essai à la boîte en L). La plage optimale est marquée en rose. Etalement au cône d Abrams [mm] SF3 SF2 Etalement au cône d Abrams [mm] ségrégation pas assez de fluidifiants rapport E/C éq trop élevé ségrégation trop grand excédent de pâte de ciment étalement insuffisant, pores et nids de graviers excédent de pâte de ciment insuffisant Temps d écoulement L-Box («viscosité») [s] Fig : Représentation schématique de la corrélation entre l aptitude à l écoulement et la viscosité du BAP. pores, nids de gravier stabilisation trop forte rapport E/C éq trop bas 600 SF Excédent de volume de la pâte de ciment [l/m 3 ] Fig : Influence de l excédent volumique de la pâte de ciment sur l étalement au cône d Abrams du béton frais Recommandations pour la planification du béton autoplaçant Formulation du béton Les différences fondamentales entre la composition d un béton vibré et celle d un béton autoplaçant sont mises en évidence par les deux exemples pratiques du tableau Les formulations sont élaborées pour l emploi d un granulat roulé et doivent être modifiées en cas d utilisation d un granulat concassé. L augmentation du volume de la pâte de ciment induit une diminution relative du volume du granulat par mètre cube de béton frais. Il en résulte un dosage typique de granulats d environ 1700 kg/m 3 de BAP. Un granulat 0/16 mm du Plateau suisse possède en moyenne une porosité intergranulaire de 29 % vol., lorsque le rapport granulat fin sur gravillon se situe à environ 1:1. En supposant une demande d excès de volume de la pâte de ciment de 90 l/m 3, il en résulte un volume total de la pâte de ciment (y compris les pores d air, mais sans les farines du granulat) de 354 l/m 3 et une teneur en granulat, y compris les farines, de 1730 kg/m 3 (masse volumique du granulat 2680 kg/m 3 ) (voir fig ). Un granulat 0/16 mm contenant beaucoup de grains concassés, p. ex. de provenance alpine, possède une porosité intergranulaire moyenne de 32 % vol.. Son emploi présume un excédent de volume de la pâte de ciment de 110 l/m 3 d où il en résulte un volume total de la pâte de ciment (y compris les pores d air) de 395 l/m 3 et une proportion de granulat d environ 1620 kg/m 3 (masse volumique du granulat 2680 kg/m 3 ). 90 l 910l dont 29% espace vide 29% 910 = 264l 71% = 1732kg vol. pâte de ciment = = 354l excédent de pâte de ciment pâte de ciment granulat (en vrac) > 0.125mm Fig : Répartition des volumes dans un BAP courant avec un granulat roulé (à gauche) et concassé (à droite). 110l 890l dont 32% espace vide 32% 890 = 285l 68% = 1622kg vol. de pâte de ciment = = 395l Holcim guide pratique du béton 147

293 4. Bétons avec mise en œuvre particulière 4.3 Béton autoplaçant Tab : Exemples de formulation typique d un béton vibré et d un béton autoplaçant. Masse volumique [kg/dm 3 ] BAP à granulat essentiellement roulé Proportion [% en masse] Teneur [kg/m 3 ] Volume [l/m 3 ] BAP à granulat partiellement concassé > 4 mm Proportion [% en masse] Teneur [kg/m 3 ] Volume [l/m 3 ] Ciment CEM II/B-M (T-LL) (Optimo 4) Addition cendre volante sable 0/ gravillon roulé 4/ Granulat gravillon roulé 8/ gravillon concassé 4/ gravillon concassé 8/ Eau Air Adjuvants fluidifiant, stabilisateur selon besoin (p. ex. FM %, ST % en masse de ciment) Masse volumique et volume du béton frais Rapport E/C, resp. E/C éq Propriétés du béton durci Résistance à la compression Grâce à la teneur accrue en pâte de ciment, le rapport E/C des BAP est souvent inférieur à celui des bétons comparables vibrés, entre 0.39 et Il en résulte une résistance à la compression d une à deux classes supérieure à celle d un béton équivalent vibré. Module d élasticité [N/mm 2 ] gravillon alluvionnaire calcaire concassé roches micacées Module d élasticité Le module d élasticité d un béton dépend du type et de la teneur du granulat et des propriétés de la pâte de ciment durcie (chapitre 3.8.3). Puisque la teneur en pâte de ciment du BAP est plus grande et que celle-ci possède un module d élasticité plus bas que le granulat, le module d élasticité d un BAP est environ 10 % plus faible que celui d un béton vibré d une même résistance à la compression et produit avec le même granulat (fig ) Résistance à la compression [N/mm 2 ] BAP confectionné avec du gravillon alluvionnaire champs entre les courbes: béton vibré à granulats naturels selon SIA 262 Fig : Module d élasticité en fonction de la résistance à la compression à 28 jours, domaine de valeurs pour des BAP. 148 Holcim guide pratique du béton

294 Retrait et fluage Le retrait de dessiccation est essentiellement régi par la quantité d eau et très peu par la teneur en ciment ou encore le rapport E/C (voir fig ). De ce fait, le BAP montre un comportement de retrait de dessiccation similaire à celui d un béton de bâtiment d une classe de résistance à la compression C20/25 car il contient une quantité d eau similaire. Pour restreindre l ampleur du retrait, il est recommandé de limiter la quantité d eau autant que possible et de ne pas dépasser 200 l/m 3. d armature de la dalle). (voir cemsuisse-projet 20073, Utilisation des bétons autocompactants pour les planchers dalles). Durabilité Le BAP possède grâce à son rapport E/C bas, sa haute qualité de surface, sa microstructure dense et sa qualité homogène, une durabilité très élevée à condition qu un traitement de cure suffisant ait été appliqué. A cause de son plus grand volume de pâte de ciment, le BAP atteint un retrait 25 % plus élevé ainsi qu un coefficient de fluage plus grand qu un béton vibré de résistance à la compression comparable. Ces caractéristiques sont avantageuses en cas de retrait entravé. Le risque de fissuration n est pas seulement une fonction du retrait. Il dépend autant du module d élasticité, du coefficient de fluage, de la résistance à la traction et de la cure du béton que du degré d entrave de l élément de construction et des conditions d humidité de l environnement (voir chapitre 8.4). Poinçonnement La résistance au poinçonnement diminue lorsque, à résistance à la compression constante, le diamètre maximal du granulat diminue. Etant donné que le BAP possède, grâce au faible rapport E/C, une résistance à la compression plus élevée qu un béton comparable vibré, l effet du diamètre maximal réduit du granulat peut être au moins partiellement compensé. Il existe des modèles et diagrammes pour estimer les effets de divers paramètres (rayon de pile, armature de poinçonnement, résistance à la compression du béton, portée, hauteur statique, taux Fig : Préfabrication d éléments standard; le BAP se prête particulièrement bien à la préfabrication. Fig : Le BAP facilite le bétonnage d un plafond intermédiaire de tunnel. Holcim guide pratique du béton 149

295 4. Bétons avec mise en œuvre particulière 4.4 Monobéton 4.4 Monobéton Fig : Lissage à la machine d une dalle de radier avec une lisseuse à hélices (en haut) et à la main (en bas) Introduction Le monobéton est employé pour la réalisation, à l extérieur comme à l intérieur, de dalles en béton horizontales en une seule couche et avec une surface finie prête à l emploi. Les champs d application sont non seulement des surfaces de roulement, mais aussi des dalles en béton dans le bâtiment, notamment pour les constructions industrielles et commerciales. La surface du béton est, après la mise en place, le compactage et l arasage, traitée en plus à la main ou à la machine. Les détails concernant le travail manuel de finition des surfaces de roulement, c.-à-d. des routes en béton, figurent au chapitre 7.5. Le lissage à la machine est exécuté à l aide de lisseuses mécaniques spéciales à hélices quelques heures seulement après la mise en place, lorsque la surface du béton est suffisamment ferme, mais encore humide mate (fig ). La zone superficielle lissée d une épaisseur d environ 3 mm devient plane et lisse, mais aussi très dure et résistante. Elle peut résister par elle-même, sans couche de protection, à toutes sortes de sollicitations. De ce fait, elle rend la couche de protection, y comprisla préparation du fond et l application d un pont d adhérence, superflue. La durée du chantier est donc raccourcie Exigences normatives Les exigences normatives du monobéton sont définies dans la norme SIA 252 qui renvoie à la norme SIA 262 en ce qui concerne les propriétés du béton. Les exigences de base selon la norme SN EN sont, pour le monobéton, identiques à celles du béton de grue. L exécution en monobéton est une exigence complémentaire et implique éventuellement une résistance élevée à l abrasion, respectivement à l usure. La norme SIA 252 et la norme SN EN définissent, en fonction de trois niveaux de sollicitations, des classes de résistance à l usure. Le monobéton doit posséder une classe de résistance d au moins C30/37. Les exigences élevées de la norme SIA 262 en matière de fissuration pour des charges quasi permanentes ou fréquentes sont requises pour les dalles en monobéton. Les exigences relatives à la planéité sont plus élevées pour les surfaces finies de béton, par comparaison avec le béton du gros œuvre, et doivent être définies dans la convention d utilisation. La norme SIA 252 règle les tolérances comme suit (tab ). Distance de mesure en m jusqu à 1.0 jusqu à 3.0 jusqu à 4.0 Tolérance en mm ±2 ±3 ±4 Tab : Tolérance de planéité d une surface de monobéton selon la norme SIA 252. Des variations de teinte ne sont pas entièrement inévitables. Elles peuvent être induites par des variations du matériaux ou de l exécution. Ceci est particulièrement valable lors de travaux de réparation. La norme SIA 252 régit les exigences particulières d esthétique. L utilisation de lisseurs rotatifs n est pas permise pour la finition des surfaces de roulement selon la norme SN Holcim guide pratique du béton

296 Béton sans retardateur durée de transport durée d ouvrabilité temps de lissage possible durée de prise Fig : Temps de lissage possible du monobéton avec ou sans retardateur. fin de prise confection transport mise en place début de prise surface humide mate prise Béton avec retardateur durée de transport durée d ouvrabilité durée de prise temps de lissage possible intervalle de retardement Technologie du béton Généralités Le lissage à la machine de la surface doit se faire pendant un intervalle de temps bien défini (fig ). Le lissage doit avoir lieu juste avant le début de prise et se terminer avant la fin de la prise. Le moment juste du lissage est atteint lorsque la surface est suffisamment ferme pour qu on puisse marcher dessus et est caractérisé par son état d humidité. L empreinte d une chaussure doit être visible et s enfoncer de quelques millimètres, tandis que la surface du béton doit être humide mate (fig ). En cas de lissage prématuré, la lisseuse s enfonce dans le béton et affecte la planéité, tandis qu un lissage trop tardif perturbe l adhérence de la zone de surface avec le béton sous-jacent. L état d humidité de la surface est influencé par la quantité d eau de ressuage qui dépend elle-même essentiellement de la composition et de la température du béton ainsi que du taux d évaporation de l eau en surface. Elle augmente lorsque la quantité d eau de gâchage et de fluidifiant augmente, lorsque la teneur en farine baisse et l hydratation se ralentit, ou lorsque la température est basse ou bien encore lorsque le béton contient du retardateur. L évaporation en surface du béton, c.-à-d. la quantité d eau évaporée, dépend de la vitesse de dessèchement. Celle-ci est fonction de la température et de l humidité relative de l air, de la vitesse du vent et de la température du béton (fig ). Si la quantité d eau évaporée est plus faible que la quantité d eau ressuée, il reste de l eau en surface. Celle-ci sera incorporée par le lissage dans la surface du béton et le rapport E/C de la zone de surface augmentera. Il s ensuit une résistance moindre et un retrait amplifié, conduisant à une fissuration en réseau (craquelures) de la surface. Si la quantité d eau évaporée est plus grande que la quantité d eau ressuée, la surface du béton est déjà desséchée avant d être praticable à pied et un lissage mécanique sans dégrader la surface n est plus possible. Ciment Au moment du lissage, une hydratation avancée accompagnée de la formation d une structure solide ne doit pas encore s être développée dans le béton. Le lissage doit commencer juste avant le début de la prise et doit être terminé avant la fin de la prise. Cet intervalle de temps est déterminé par le raidissement du ciment, respectivement du béton. L utilisation de ciments avec une montée en résistance lente permet un début de prise nettement plus tard que des ciments avec une montée en résistance rapide à moyenne. Par conséquent, le lissage devient possible à un moment plus tardif. Il est recommandé d adapter la montée en résistance des ciments, respectivement des bétons à l avancement des travaux de lissage (tab ). La tendance au ressuage des monobétons augmente lorsque la finesse de broyage respectivement la classe de résistance du ciment diminue. Des dosages en ciment de l ordre de 320 et 340 kg/m 3 pour un diamètre maximal du granulat de 32 mm ont fait leurs preuves. Béton frais Raidissement profondeur d impression d une chaussure [mm] Pellicule d eau visible lissage précoce: dégradation de la surface du béton visible invisible lissage tardif: inpossible d obtenir une surface de qualité suffisante Béton durci Temps [h] Fig : Temps de lissage possible d un monobéton à développement moyen des résistances. Holcim guide pratique du béton 151

297 4. Bétons avec mise en œuvre particulière 4.4 Monobéton Additions Les farines de roche et la cendre volante sont employées dans les monobétons. La cendre volante est utilisée pour améliorer l ouvrabilité du béton. Il faut noter que la cendre volante engendre un retardement de l hydratation, ce qui reporte le début du lissage. Farines La teneur en farine doit être adaptée au type de granulat et au diamètre maximal, soit 350 et 450 kg/m 3, pour un granulat de 32 mm (voir chapitre 1.3.4, tab ). Adjuvants Les monobétons possèdent souvent des rapports E/C inférieurs à 0.50, ce qui rend le recours aux fluidifiants nécessaire pour la production du béton. Lors de l utilisation de fluidifiants à base de PCE, il faut veiller à ce que ceux-ci soient adaptés spécifiquement aux monobétons. Dans le cas contraire, aucun raidissement significatif ne se produit pendant les deux premières heures, et le moment propice au lissage est nettement retardé. La tendance au ressuage des monobétons avec des fluidifiants à base de PCE est généralement très faible. Quelques fluidifiants peuvent provoquer l apparition d une croûte sur la surface fraîche du béton faisant croire à son durcissement tandis que le béton au cœur de la dalle est encore mou. L emploi de retardateur peut être judicieux lors de grandes étapes. Consistance Le raidissement du béton dépend aussi de la classe de consistance choisie. Plus la consistance est raide, plus tôt le lissage peut être commencé. Les monobétons sont mis en œuvre, pour la majorité des chantiers, avec une consistance plastique de classe C3/F3. Lorsque la température extérieure est d environ 20 C, le lissage des monobétons s effectue environ 3 heures après la mise en place, le compactage et l arasage. Le lissage des bétons de consistance très plastique se fait après un délai plus important. Traitement de cure intermédiaire Pendant l intervalle de temps entre l arasage de la surface de béton après le compactage et le lissage, la surface du béton ne doit pas se dessécher. S il y a un risque de dessèchement, une cure intermédiaire s avère nécessaire. Les mesures adéquates de cures intermédiaires consistent à vaporiser de l eau, p. ex. avec un nettoyeur à haute pression ou un produit de cure à base de dispersion synthétique (fig ). Les produits de cure à base de paraffine ne sont pas adéquats. Les détails relatifs à la cure intermédiaire sont réglés dans la norme SN EN L omission d une cure intermédiaire peut avoir comme conséquence une rigidification plus rapide de la surface du béton sous-jacent. La couche de mortier fin solidifiée en surface est appelée dans la pratique peau d éléphant. Cette peau d éléphant fait miroiter une résistance du béton, qu il ne possède en réalité pas encore. Lors du lissage, il se produit alors ce qu on appelle l effet pudding Fig : Cure intermédiaire par vaporisation d eau. ou l apparition de plis en surface qui résultent de la flottaison de la couche rigidifiée sur le béton sous-jacent encore mou. La cure intermédiaire ne remplace en aucun cas le traitement effectif de cure qui doit respecter les prescriptions de la norme SIA 262. Pour les monobétons la classe de cure recommandée est NBK 4 (voir chapitre 3.6) Recommandations pour la planification du monobéton Conditions météorologiques Le monobéton ne doit pas être mis en œuvre à des températures inférieures à 10 C et supérieures à 25 C. Avec des températures supérieures à 25 C, il faut prévoir des mesures supplémentaires. La température de l air influence la montée en résistance et la quantité d eau évaporée et ressuée. A une température de 10 C, la résistance au passage d une personne est atteinte plus tard qu à 20 C. La quantité d eau ressuée est presque doublée alors que l eau évaporée diminue de moitié. A l inverse, à une température de 30 C, la résistance au passage d une personne est atteinte plus tôt, la quantité d eau ressuée est diminuée de moitié et l évaporation est presque doublée. Une exposition variable au soleil et à l ombre de la surface du béton peut conduire à un comportement irrégulier du béton lors du lissage. Cadence de mise en œuvre La planification d une cadence non réaliste de mise en œuvre provoque des temps d attente des véhicules de livraison et peut avoir des effets négatifs sur la qualité du béton. 152 Holcim guide pratique du béton

298 Les cadences moyennes de mise en œuvre des dalles en bétons sont: épaisseur de dalle 20 cm: env. 35 m 3 de béton par heure épaisseur de dalle 25 cm: env. 40 m 3 de béton par heure épaisseur de dalle 30 cm: env. 50 m 3 de béton par heure Fig : Saupoudrage de granulés durs avec un chariot épandeur. On admet les ordres de grandeur suivants pour les cadences de lissage (voir fig ): Lissage à la main 80 m 2 /h Lissage à la machine (lisseuse à double ailettes) 150 m 2 /h Un rendement plus élevé nécessite des mesures supplémentaires, p. ex. une deuxième équipe de travail. Béton à air entraîné Le lissage de la surface du béton influe de manière significative sur la quantité et la distribution des pores d air entraîné. Les bétons à air entraîné ne doivent pas, ou seulement que brièvement, être lissés à l aide de machines rotatives. Joints Les dalles en monobéton sont souvent planifiées sans joints. Si des joints s avèrent nécessaires pour des raisons constructives, il faut observer les indications des chapitres 7.5 et 8.4. Granulés durs Les granulés durs, tels que p. ex. le corindon, le carbure de silicium ou des mélanges de ciment et granulés durs sont incorporés en surface du béton avec un dosage de 2 à 4 kg/m 2 afin d augmenter la résistance à l usure respectivement à l abrasion. Les granulés durs doivent être dispersés aussi tôt que possible, soit directement après l arasage de la surface du béton avec un équipement de saupoudrage piloté mécaniquement, soit à la main avec un chariot de saupoudrage, dès que la surface est praticable à pied (fig ). Une incorporation trop tardive des granulés peut provoquer l apparition de creux et de décollements. Normalement, les granulés sont incorporés à l aide d une truelle mécanique circulaire, tandis que la finition de la surface se fait à l aide des truelles mécaniques à hélice. Traitement mécanique La surface du monobéton peut être poncée pour satisfaire aux exigences esthétiques particulières. Pour l obtention d une surface régulière, un lissage à la machine est indispensable. Selon la qualité du béton et l épaisseur de la couche, le béton peut être poncé 20 à 28 jours après sa mise en place. Habituellement, la surface est poncée en plusieurs passages jusqu à ce que la texture fine typique du béton apparaisse, y compris éventuellement quelques grands granulats (fig ). En ponçant la surface plus profondément pour mettre à jour les plus gros granulats selon leurs plus grands diamètres, on obtient un aspect de surface ressemblant à un sol terrazzo. Les polissages successifs avec un abrasif de plus en plus fin déterminent l apparence finale mate, soyeuse à brillante de la surface. Il faut prévoir un traitement de protection de la surface du béton, soumise à de telles exigences esthétiques, afin de conserver durablement son aspect. Les surfaces de béton coffrées qui doivent satisfaire à certaines exigences esthétiques sont traitées au chapitre 7.1. Fig : Monobéton avec une surface de béton poncée. Pour une incorporation sans défaut des granulés durs, il est recommandé de l effectuer seulement dans un environnement sans courants d air et lorsque la teneur en eau du béton est suffisamment élevée, environ 160 l/m 3. Holcim guide pratique du béton 153

299

300 Chapitre 5 Bétons à composition particulière 5.1 Béton de recyclage Introduction Exigences normatives Technologie du béton Recommandations pour la planification du béton de recyclage Béton léger Introduction Exigences normatives Technologie du béton Recommandations pour la planification du béton léger Béton renforcé de fibres Introduction Exigences normatives Technologie du béton Recommandations pour le dimensionnement du béton fibré 174

301 5. Bétons à composition particulière 5. Bétons à composition particulière 5.1 Béton de recyclage 5.1 Béton de recyclage Introduction L emploi de granulats recyclés pour la production de béton, dit de recyclage, gagne en importance dans le cadre d un mode de construction durable. La consommation de granulats naturels peut être ainsi réduite et permet d éviter le dépôt des matériaux de démolition dans les décharges. En principe, deux types de granulats recyclés sont distingués: les granulats de béton (C) et les granulats de gravats mixtes (M). Le granulat de béton est obtenu par traitement du béton de démolition des constructions en béton (fig , centre). Le granulat de gravats mixtes est récupéré des démolitions des constructions massives mixtes en béton normal et léger, ainsi que de briques en argile cuite, briques silico-calcaires et en maçonnerie de pierres naturelles (fig , à droite). Les deux types de granulats recyclés se distinguent d un granulat naturel par leurs propriétés et montrent des variations dans leurs éléments constitutifs. Selon le type de granulat recyclé employé, le béton de recyclage est classé soit en béton de recyclage RC-C à granulats de béton, soit en béton de recyclage RC-M à granulats de gravats mixtes Exigences normatives Le béton de recyclage est employé comme béton maigre, de remplissage et d enrobage non normé et comme béton de construction selon les normes SN EN et SIA 262. Selon l annexe nationale de la SN EN 206-1, le béton de recyclage est réglementé par le cahier technique SIA Selon ce cahier technique, le béton de recyclage est défini comme un béton dont le granulat > 4 mm se compose d au moins 25 % de granulats recyclés. Le tableau donne les exigences pétrographiques à l égard de la composition des granulats recyclés de bétons et de gravats mixtes pour leur emploi pour le béton de construction. La composition doit être déclarée pour les granulats à diamètre > 4 mm, au contraire de la norme SN EN (Essais pour déterminer les caractéristiques géométriques des granulats partie 11: essai de classification des constituants des gravillons recyclés) qui prévoit, dans un premier temps, un diamètre > 8 mm. Pour le béton de recyclage RC-C à granulats de béton, la part du granulat > 4 mm doit contenir: au moins 25 % en masse de granulats recyclés R c, constitués de béton, produits de béton, granulats traités aux liants hydrauliques, mortier et éléments de maçonnerie en béton et, au maximum 5 % en masse de granulats recyclés R b, constitués d éléments de briques et tuiles en argile cuite, briques silico-calcaires, béton cellulaire non flottant Fig : Granulat pour béton, à gauche: granulat naturel roulé, au centre: granulat de béton, à droite: granulat de gravats mixtes. 156 Holcim guide pratique du béton

302 Béton de recyclage Classe d exposition Désignation Teneur en granulats recyclés X0 XC1 (sec) XC1 (humide), XC2, XC3 XC4 XD, XF, XA RC-C R c 25 % en masse R b < 5 % en masse admis essais préliminaires prescrits RC-M 5 % en masse R b 25 % en masse et R c + R b 25 % en masse admis essais préliminaires prescrits R b > 25 % en masse admis essais préliminaires prescrits non admis R c : béton, produits de béton, granulats naturels traités aux liants hydrauliques, mortier et éléments de maçonnerie en béton R b : éléments de briques et tuiles en argile cuite, briques silico-calcaires, béton cellulaire non flottant Tab : Utilisation du béton de recyclage selon les classes d exposition d après le cahier technique SIA Pour le béton de recyclage RC-M à granulats de gravats mixtes, la part du granulat > 4 mm doit contenir: au moins 5 % en masse R b et, au moins 25 % en masse R b + R c. RC-C: béton de recyclage à granulats de béton RC-M: béton de recyclage à granulats de gravats mixtes béton de recyclage à granulats de béton ou de gravats mixtes possibles béton de recyclage maigre Le cahier technique SIA 2030 restreint l utilisation du béton de recyclage à propriétés spécifiées sur la base de considérations de durabilité. Les exigences relatives au béton de recyclage en fonction des classes d exposition sont indiquées au tableau Le béton de recyclage RC-C peut être employé comme béton de construction pour le bâtiment (fig ). Il est cependant recommandé de n utiliser le béton de recyclage RC-M qu à l intérieur ou pour des éléments de construction protégés des intempéries. L emploi du béton de recyclage RC-M avec une teneur en R b > 25 % en masse est admis sans essais préliminaires spécifiques seulement pour les classes d exposition XC0 et XC1 (sec). Pour les classes XD, XF, XA1-3, ainsi que pour le béton précontraint et pour les éléments soumis à un risque de fatigue, le béton de recyclage RC-M ne peut en aucun cas être utilisé et l emploi d un béton de recyclage RC-C exige des essais préliminaires en fonction des propriétés visées. Le cahier technique SIA 2030 prévoit également l emploi de sable recyclé (classe granulaire 0/4 mm). En cas d exigences particulières concernant la durabilité, il faut renoncer à leur utilisation. Fig : Champs d utilisation du béton de recyclage. Holcim guide pratique du béton 157

303 5. Bétons à composition particulière 5.1 Béton de recyclage Technologie du béton Ciment Tous les ciments admis par la norme SN EN sont aptes à la production de béton de recyclage. En vue de la réduction des émissions de CO 2, il est recommandé de choisir un ciment à teneur réduite en clinker de ciment Portland (p. ex. ciments CEM II/B). En comparaison avec un béton à granulats naturels concassés, il faut compter avec un besoin en ciment d environ 20 à 30 kg/m 3 plus élevé. Dans le cas d un béton maigre, le dosage en ciment ne sera pas augmenté, il faut compter avec un rapport E/C accru et utiliser un plastifiant/fluidifiant. Fig : Granulat naturel: vue macroscopique (à gauche), vue microscopique en lumière UV (à droite). En lumière UV les granulats denses apparaissent noirs sur le fond clair de la pâte de ciment poreuse. Granulats Généralités Les propriétés des granulats recyclés sont essentiellement influencées par l origine des matériaux de récupération et leur processus de traitement. Elles se distinguent partiellement beaucoup de celles d un granulat naturel. Forme des grains Le processus de traitement (concassage des matériaux récupérés) génère une forme en général concassée non cubique du granulat recyclé. Fig : Granulat recyclé: vue macroscopique (à gauche), vue microscopique en lumière UV (à droite). La porosité capillaire plus élevée de la pâte de ciment au sein du granulat recyclé apparait plus jaunâtre en lumière UV que celle de la pâte de ciment environnante plus dense. Masse volumique La masse volumique du granulat recyclé est plus faible et, en raison de l hétérogénéité du matériau d origine, varie plus fortement que celle d un granulat naturel (tab ). Granulat Granulat naturel (gravier-sable) Masse volumique ρ après séchage à l étuve [kg/m 3 ] Granulat de béton Granulat de gravats mixtes Tab : Masse volumique après séchage à l'étuve du granulat recyclé et naturel. Absorption d eau Les granulats recyclés montrent une plus forte absorption d eau que les granulats naturels à cause de leur porosité plus élevée (fig ). L absorption d eau est d autant plus grande que la masse volumique du granulat recyclé est faible (fig ). Pour prévenir une perte de l ouvrabilité du béton frais, il est recommandé d augmenter le dosage de l eau (voir chapitre 1.2) ou d humidifier au préalable le granulat recyclé lors de la fabrication du béton. En général, l absorption d eau d un granulat recyclé atteint, après 10 minutes d immersion dans l eau (W 10 ), 90 % de la valeur W 24 qui correspond à une immersion de 24 heures. Pour cette raison, la formulation du béton de recyclage se base habituellement sur la valeur W 10 du granulat. Absorption d eau W 10 [en masse] Masse volumique (séchée à l'étuve) ρ [kg/m 3 ] granulats de gravats mixtes granulats de béton granulats naturels (sable-gravier) Fig : Absorption d eau (W10) des granulats naturels et recyclés, de différentes classes granulaires, en fonction de la masse volumique (ρ, après séchage à l étuve). 158 Holcim guide pratique du béton

304 Résistance du grain Les résistances du granulat recyclé sont en général plus faibles que celles d un granulat naturel et varient en fonction du type de matériau (fig ). Résistance relative [%] Granulat naturel (sable-gravier) Granulat de béton Granulat de gravats mixtes Fig : Valeurs indicatives de la résistance relative moyenne du grain d un granulat de béton et d un granulat de gravats mixtes en comparaison avec un granulat naturel (gravillon). Eléments constitutifs Les éléments constitutifs du granulat recyclé sont soumis à de grandes variations (fig , à gauche dans le cas granulat de béton et à droite celui d un granulat de gravats mixtes). Réaction alcalis-granulats En raison de l origine souvent inconnue et constamment changeante des matériaux de démolition, il est difficile de fournir une preuve représentative de la résistance à la RAG d un béton de recyclage avec un effort de contrôle raisonnable. De ce fait, la production des bétons résistants à la RAG avec des granulats recyclés n est pas recommandée (voir chapitre 6.4). Teneur en chlorures La teneur en chlorures solubles dans l eau et dans l acide doit être contrôlée dans les granulats recyclés afin de prévenir l emploi des matériaux de démolition chargés en chlorures pour la production de béton de recyclage. Le béton de recyclage à propriétés spécifiées est soumis aux mêmes exigences concernant les classes de teneur en chlorures (Cl x ) que le béton à granulats naturels (tab ). Teneur en soufre et en sulfates Les composés soufrés présents en grande quantité dans le béton peuvent provoquer des réactions de gonflement interne capables de dégrader complètement un élément en béton (voir chapitre 8.8). Ils proviennent normalement de la récupération des crépis de gypse, des chapes d anhydrite et des plaques en plâtre non trié. Pour réduire le risque de dégradation, les exigences de la norme SN EN 12620, concernant les éléments constitutifs et la teneur en soufre total et en sulfates, sont à respecter (voir chapitre 1.3). La teneur en éléments impropres (X), auxquels appartiennent le gypse et l anhydrite, ne doit pas dépasser 0.3 % en masse du granulat recyclé. Proportion [% en masse] Proportion [% en masse] Echantillons de granulats de béton 0 Echantillons de granulats de gravats mixtes R b éléments de briques et tuiles en argile cuite, briques silico-calcaire, béton cellulaire non flottant R c béton, produits de béton, granulats naturels traités aux liants hydrauliques, mortier et éléments de maçonnerie en béton R u granulat non lié, pierre naturelle Fig (gauche): Variations des éléments constitutifs de trois échantillons de granulats de béton (prélèvements répartis sur env. 3 mois). Fig (droite): Variations des éléments constitutifs de cinq échantillons de granulats de gravats mixtes (prélèvements répartis sur env. 4 mois). Holcim guide pratique du béton 159

305 5. Bétons à composition particulière 5.1 Béton de recyclage Adjuvants Le dosage des fluidifiants est légèrement plus élevé en comparaison avec un béton similaire, mais à granulats naturels. Il existe des fluidifiants spéciaux à haute performance pour les bétons de recyclage. Rapport E/C Les exigences à l égard du rapport E/C de la norme SN EN s appliquent au béton de recyclage. Il faut déterminer l absorption d eau selon la norme SN EN comme pour le granulat naturel et en tenir compte pour la confection du béton. La teneur en eau du granulat recyclé doit être prise en compte (voir exemple 16) dans le calcul du rapport E/C lors du contrôle du béton frais Recommandations pour la planification du béton de recyclage Exemple 24 Spécification d un béton de recyclage à propriétés spécifiées pour un mur porteur extérieur: Béton selon SN EN et cahier technique SIA 2030, Exigences de base: RC-C Classe de résistance à la compression C 30/37 Classe d exposition XC4 Dimension maximale du granulat D max 32 Classe de teneur en chlorures Cl 0.10 Classe de consistance C3 Exigences complémentaires: Module d élasticité > N/mm 2 Type de ciment CEM II/B-M R c + R b 40 % en masse Béton de recyclage Teneur en granulats recyclés [% en masse] Spécification La spécification en tant que béton à propriétés spécifiées se fait à l aide des suffixes RC-C pour le béton de recyclage à granulats de béton et RC-M pour le béton de recyclage à granulats de gravats mixtes. La résistance à la compression sert à la spécification de base du béton de recyclage. L évaluation des propriétés du béton de recyclage repose, en dehors de la composition du granulat, sur le module d élasticité moyen E rcm et la masse volumique moyenne ρ rcm. Pour le béton de recyclage à propriétés spécifiées selon la norme SN EN 206-1, il faut définir comme exigence complémentaire ces deux propriétés. Les teneurs en R c et R b sont à déclarer et indiquer dans la liste des sortes de béton. Si des teneurs en granulats R c plus grandes que 25 % en masse sont exigées, elles doivent être définies selon les catégories de la norme SN EN Des teneurs en granulats R b plus grandes que 25 % en masse doivent être définies par paliers de 10 % (25, 35, % de la masse). Béton maigre C20/25 Béton à la grue XC1, XC2 C25/30 Béton à la grue XC1, XC2 C25/30 Béton pompé XC1, XC2 C30/37 Béton pompé XC1, XC2 100 % 25 % Propriétés du béton durci Résistance à la compression Les classes de résistance à la compression du béton de recyclage correspondent à la norme SN EN (voir chapitre 3.8.1). En comparaison avec un béton à granulats naturels, le béton de recyclage ayant un rapport E/C similaire possède une résistance à la compression plus faible. Ceci provient de la résistance mécanique plus faible du granulat recyclé ainsi que de la proportion de pâte de ciment plus élevée. Résistance à la compression du béton à l âge de 28 jours [N/mm²] Rapport E/C [-] béton de recyclage avec un granulat de gravats mixtes béton de recyclage avec un granulat de béton béton avec un granulat naturel (gravier alluvionnaire) Fig : Valeurs indicatives des teneurs en granulats recyclés pour différents bétons de recyclage. Fig : Résistance à la compression en fonction du rapport E/C du béton de recyclage fabriqué avec le ciment Optimo Holcim guide pratique du béton

306 La résistance à la compression du béton de recyclage diminue avec une teneur croissante en granulats recyclés. Les bétons de recyclage avec une proportion de granulats de gravats mixtes jusqu à 100 % sont surtout employés comme béton maigre à cause de leur faible résistance à la compression. Les bétons de construction contiennent en règle générale, selon la classe de résistance à la compression exigée, une teneur en granulats recyclés de 40 à 80 % de la masse, principalement des granulats de béton (fig ). Module d élasticité [N/mm 2 ] gravier alluvionnaire calcaire concassé roches micacées Fig : Module d élasticité en fonction de la résistance à la compression à 28 jours du béton de recyclage RC-C et RC-M en comparaison avec les bétons à granulats naturels (graves alluvionnaires). Module d élasticité Le module d élasticité du béton de recyclage dépend du type de granulat recyclé employé, il est inférieur à celui d un béton à granulats naturels (fig ). Le module d élasticité plus bas résulte du module d élasticité (de la masse volumique) plus faible du granulat recyclé ainsi que de la proportion plus élevée de la pâte de ciment Résistance à la compression sur cube moyenne [N/mm 2 ] RC-C avec C > 50% RC-M avec M > 50% domaines entre les courbes: béton courant avec granulat naturel selon SIA 262 Pour assurer le module d élasticité exigé, le cahier technique SIA 2030 prescrit que le producteur doit contrôler et déclarer régulièrement le module d élasticité tous les trois respectivement six contrôles de la résistance à la compression du béton de recyclage RC-M et RC-C. Si les déclarations du producteur ou des résultats d essai du module d élasticité du béton de recyclage E rcm font défaut (pas de valeurs déclarées), il faut utiliser le module d élasticité du béton à granulat naturel en tenant compte d un facteur de correction η r (tab , éq ). Pour le module d élasticité E rcm il faut utiliser la valeur d un béton de même résistance à la compression f cm avec du granulat naturel d origine aussi similaire que possible, ou bien déterminer la valeur selon SIA 262 (voir chapitre 3.8.3, éq ). E η r = rcm 1 E cm η r facteur de correction du béton de recyclage E rcm module d élasticité moyen du béton de recyclage E cm valeur moyenne du module d élasticité du béton de même résistance à la compression f cm à granulats naturels d origine aussi similaire que possible η r = 0.9 (teneur en R c 50 % en masse) η r = 0.8 (teneur en R c > 50 % en masse) Eq Il faut respecter les valeurs minimales suivantes pour le béton de recyclage RC-M: E rcm N/mm 2 et ρ rcm 2000 kg/m 3 En absence de valeurs déclarées, ces valeurs minimales sont à utiliser lors de la planification. Si la masse volumique est déclarée, il est possible d estimer le module d élasticité du béton de recyclage E rcm comme indiqué au tableau La valeur de la masse volumique du béton à granulat naturel est alors fixée à ρ cm = 2450 kg/m 3. Types de béton RC RC-C Teneur en granulats recyclés Rc 50 % en masse Rc > 50 % en masse Module d élasticité Sans valeur déclarée Masse volumique déclarée (ρ cm = 2450 kg/m 3 ) E rcm E cm 0.9 E rcm E cm 0.8 E rcm E cm 0.9 (ρ rcm / ρ cm ) Tab : Estimation du module d élasticité du béton de recyclage selon le cahier technique SIA RC-M Rc 50 % en masse Rc > 50 % en masse E rcm N/mm 2 ρ cm 2000 kg/m 3 E rcm E cm 0.8 (ρ rcm / ρ cm ) E rcm valeur moyenne du module d élasticité du béton de recyclage E cm valeur moyenne du module d élasticité du béton de même résistance à la compression à granulats naturels d origine aussi similaire que possible ρ rcm valeur moyenne de la masse volumique du béton de recyclage ρ cm valeur moyenne de la masse volumique du béton à granulats naturels d origine aussi similaire que possible Holcim guide pratique du béton 161

307 5. Bétons à composition particulière 5.1 Béton de recyclage Retrait et fluage Autant le retrait que le fluage augmentent avec une teneur croissante en granulats recyclés et sont supérieurs à ceux d un béton à granulats naturels avec une résistance à la compression identique. Le retrait plus important est surtout causé par la teneur plus élevée en eau et le plus grand volume de la pâte de ciment (voir chapitre 3.9). Composition du béton Au tableau figurent les compositions ainsi que quelques propriétés du béton durci d un béton de recyclage à granulats de béton, respectivement d un béton à granulats de gravats mixtes en comparaison avec un béton à granulats naturels. Si le planificateur ne dispose pas d informations concernant le retrait et le fluage du béton de recyclage, il peut évaluer d après le cahier technique SIA 2030, son comportement de manière analogue au béton selon SN EN sur la base du module d élasticité selon l approche suivante: Comportement de retrait: ε rcs, = ε cs, η r ε rcs, valeur finale du retrait du béton de recyclage ε cs, valeur finale du retrait du béton selon SN EN η r facteur de correction du béton de recyclage Eq Fig : Plaque polie d un béton de recyclage à granulat de gravats mixtes. Comportement de fluage: φ rc (t,t 0 ) = 1.25 φ(t,t 0 ) φ rc (t,t 0 ) coefficient de fluage du béton de recyclage φ(t,t 0 ) coefficient de fluage du béton à granulats naturels d origine aussi similaire que possible Eq Le dimensionnement à l effort tranchant et la vérification du poinçonnement s effectuent selon la norme SIA 262 pour RC-M suivant l approche D max = 0 comme pour le béton léger. Aspects écologiques L utilisation des granulats recyclés permet d épargner les ressources naturelles et de diminuer la mise à contribution territoriale. Le volume réduit des matériaux de démolition à évacuer en décharge soulage l environnement. Cependant, l emploi de granulats recyclés pour la production de béton ne mène pas à une réduction significative des émissions de CO 2. Au contraire, en raison des teneurs accrues en ciment, on constate souvent même une augmentation des émissions. Néanmoins, de nombreux maîtres d ouvrage exigent l emploi de béton de recyclage (p. ex. recommandations KBOB), notamment pour les constructions nouvelles selon le standard de durabilité MINERGIE-ECO. Dans ce standard de durabilité se trouvent les exigences suivantes concernant l emploi de béton de recyclage pour les nouvelles constructions: La proportion volumique des éléments de construction en béton de recyclage (selon CT SIA 2030), rapportée au volume de béton de construction en principe réalisable en béton de recyclage, doit être supérieure à 50 %. La distance entre la centrale à béton RC et le chantier ne doit pas dépasser 25 km. S il n y a pas de possibilité de commander du béton de recyclage dans un rayon de 25 km ou si le granulat recyclé doit être transporté jusqu à la centrale à béton, cette exigence ne s applique pas. Les éléments constitutifs du granulat recyclé doivent satisfaire aux exigences du cahier technique SIA Holcim guide pratique du béton

308 Ciment Granulat CEM II/B-M (T-LL) (Optimo 4) Masse volumique [kg/dm 3 ] Béton de recyclage à granulat de béton Proportion [% en masse] Teneur [kg/m 3 ] Volume [l/m 3 ] sable 0/ gravillon 4/ gravillon 8/ gravillon 16/ granulat de béton 8/ Tab : Exemple de formulation d un béton de recyclage à granulat de béton pour une sorte de béton C (classes d expositions XC4) et des propriétés de béton durci sélectionnées. Eau Teneur en air 15 Adjuvant fluidifiant selon besoin (p. ex % en masse du ciment) Masse volumique et volume du béton frais Rapport E/C 0.48 Propriétés de béton sélectionnées: résistance à la compression [N/mm 2 ] 40 Module d élasticité [N/mm 2 ] Béton de recyclage à propriétés spécifiées pour des éléments porteurs: la teneur en composants R c et R b atteint au moins 40 %, selon SN NA. Béton de recyclage à composition prescrite pour remblais, enrobage de canalisations et sous-couches: la teneur en composants R c et R b atteint au moins 80 %, selon SN NA. Fig : Béton de recyclage à granulat de béton à l état de béton frais. Le planificateur droit prendre les mesures suivantes pour respecter ces critères et prescriptions: Clarifier la disponibilité des sortes de béton de recyclage. Définir les éléments de construction réalisables en béton de recyclage et contrôler si le volume minimal est respecté par rapport au volume total de béton. Spécifier des sortes de béton de recyclage avec les quantités prévues dans le devis. Holcim guide pratique du béton 163

309 5. Bétons à composition particulière 5. Bétons à composition particulière 5.2 Béton léger 5.2 Béton léger Introduction Le béton léger se distingue du béton courant par sa masse volumique réduite, obtenue grâce à l ajout de granulats légers à haute porosité ou de faible masse volumique. Les bétons légers se répartissent selon leur composition en différents groupes: le béton de construction léger (à structure compacte) le béton caverneux (sans composants fins) le béton léger poreux (béton mousse) le béton aéré Le béton caverneux, le béton léger poreux et le béton aéré ainsi que tout béton d une masse volumique inférieure à 800 kg/m 3 ne tombent pas dans le domaine d application de la norme SN EN et ne seront pas traités ici. Béton léger de construction Le béton léger de construction possède une structure compacte, fermée comme un béton de masse volumique normale (fig ). La faible masse volumique visée est obtenue par le remplacement partiel ou total des gravillons denses par un granulat léger poreux. Il est possible d échanger en plus, le sable contre un granulat léger fin. La propriété la plus essentielle d un béton léger de construction est sa faible masse propre. Les éléments de construction en béton léger représentent, selon la classe de résistance à la compression, une économie entre 600 et 1000 kg/m 3 au niveau de la masse du béton. Le béton léger se caractérise aussi par sa faible conductibilité thermique en comparaison avec un béton de masse volumique normale. Les bétons légers, dits isolants, avec des masses volumiques après séchage à l étuve entre 800 et 1000 kg/m 3 sont non seulement compacts et de bonne capacité portante, mais présentent aussi des propriétés d isolation thermique. Ils permettent de réaliser des murs monolithiques en béton de parement, sans doublage ni isolation périphérique additionnelle. Néanmoins, de tels murs sans isolation thermique supplémentaire nécessiteraient des épaisseurs importantes (env m) pour satisfaire les exigences d isolation thermique (u 0.15). La masse volumique sèche du béton isolant ne peut être atteinte qu avec des entraîneurs d air spéciaux ou des agents moussants employés pour les bétons moussants. Fig : Plaque polie d un béton léger de construction avec une structure compacte. La disponibilité des bétons légers doit être clarifiée à temps avec la centrale à béton Exigences normatives Généralités Le béton léger est un béton dont la masse volumique après séchage à l étuve est inférieure à 2000 kg/m³. Selon la norme SN EN 206-1, il est nécessaire de définir la résistance à la compression et la masse volumique pour le béton léger à propriétés spécifiées. En Suisse, on emploie principalement les bétons légers des classes de résistance à la compression LC 8/9 à LC 35/38 et des classes de masse volumique D1.0 à D1.8 (voir chapitre 2.3.2). Les classes de résistance à la compression ne sont pas identiques pour le béton léger et le béton de masse volumique courante. Seules les valeurs de la résistance à la compression sur cylindres correspondent. Alors que les valeurs correspondantes de la résistance à la compression sur cube sont environ 10 à 13 % plus élevées pour le béton léger, elles sont 15 à 25 % plus élevées pour les bétons de masse volumique normale. Cette différence provient du comportement à la rupture différent du béton normal et léger. Dans le béton léger, les surfaces de rupture traversent le granulat léger, dès que la résistance du grain est dépassée. Ceci est accompagné d une dilatation transversale inférieure en comparaison avec le béton de masse volumique normale. La différence entre la résistance à la compression sur cube et celle sur cylindre sera d autant plus petite que la dilatation transversale du béton est faible. 164 Holcim guide pratique du béton

310 Contrôles La masse volumique du béton léger est déterminée selon la norme SN EN après séchage à l étuve à une température de 105 C. Le granulat a un grand pouvoir absorbant grâce à sa haute porosité et soutire à la pâte de ciment de l eau dès le malaxage jusqu à la prise. Cette absorption d eau accélère le raidissement du béton frais. L absorption d eau des gravillons légers doit être mesurée au préalable selon la norme SN EN Il est recommandé de ne tenir compte que de l absorption d eau des premières 60 minutes afin de ne pas surestimer l absorption d eau effective dans le béton léger, et de ne pas sous-estimer le rapport eau effficace/ciment. Pour le sable léger concassé, il faut seulement considérer 70 % de la valeur mesurée de l absorption d eau Technologie du béton Ciment Tous les ciments admis par la norme SN EN sont aptes à la production de bétons légers. En cas d éléments de construction ayant une section supérieure à 40 cm, il faut tenir compte du fait que le granulat léger peut freiner la dissipation de la chaleur d hydratation. Par conséquent, les températures plus élevées au sein de l élément de construction peuvent engendrer des fissures. Pour ces cas-là, il est recommandé de choisir des ciments à faible chaleur d hydratation. Granulat Types de granulats Les granulats typiques et fréquemment utilisés pour les bétons légers de construction sont l argile expansée, le verre expansé, les gravillons de verre cellulaire et le tuf naturel (fig à 5.2.5). Il est aussi possible de les mélanger entre eux. L argile expansée est un granulat léger, très poreux, produit industriellement par cuisson d argiles naturelles. L argile est séchée, moulue puis expansée à une température proche de 1200 C. On obtient des perles poreuses de forme sphérique et à surface fermée. Selon le processus de production, les propriétés de l argile expansée peuvent être adaptées à l utilisation prévue. Le verre expansé est un granulat léger, hautement poreux, qui est produit à partir de verre de recyclage. Le procédé de production consiste à broyer et mélanger finement les déchets de verre nettoyés pour obtenir une farine crue dont on forme le granulé cru. Ce granulé cru est fondu et expansé au four à une température d environ C. Le verre expansé est caractérisé par sa forme ronde (billes de verre) et sa surface fermée. Le diamètre maximal du granulat se situe à 4 mm. Les gravillons de verre cellulaire sont produits à partir de verre de recyclage expansé à environs 900 C. Les gravillons se forment en se brisant sous l effet de la fissuration engendrée par les tensions thermiques pendant un refroidissement à 300 C. Fig : Argile expansée. Fig : Verre expansé. Fig : Gravillons de verre cellulaire. Fig : Tuf naturel. Holcim guide pratique du béton 165

311 5. Bétons à composition particulière 5.2 Béton léger Fig : Domaines de masse volumique de quelques granulats légers et courants. Gravillons de verre cellulaire Verre expansé Granulat léger Granulat courant Tuf naturel Argile expansée Gravier, gravillon Masse volumique [kg/m 3 ] Le tuf naturel est une roche volcanique. Un grain de tuf naturel contient jusqu à 85 % vol. d air sous forme de pores finement dispersés. Normalement, le tuf naturel est concassé pour obtenir un diamètre maximal du granulat de 4 mm. Masse volumique La masse volumique des granulats légers varie en fonction de leur matière première et des procédés de fabrication (fig ). Absorption d eau Le granulat léger présente une absorption d eau d env. 5 à 20 % plus élevée que celle d un granulat naturel. Cette absorption d eau peut accélérer le raidissement du béton frais. On évite cet effet en humidifiant au préalable le granulat, en allongeant la durée de malaxage et/ou en choisissant une consistance initiale plus molle. Farine Lors de l utilisation d un granulat léger, il faut veiller à obtenir une teneur suffisante en farine dans le béton. La teneur en farine peut être augmentée par une augmentation du dosage en ciment ou par un ajout d additions. Adjuvants Le risque de ségrégation du béton léger peut être réduit et la cohésion du béton frais nettement améliorée par l entraînement de pores d air et l ajout d un stabilisateur. Les pores d air entraîné contribuent également à réduire la masse volumique de la pâte de ciment. Dans le cas des bétons isolants (masse volumique 1000 kg/m 3 ), la teneur en pores d air s élève à % vol.. L ajout de stabilisateur augmente la viscosité de la pâte de ciment de telle manière que le granulat léger ne peut plus remonter à la surface. Ajouts Dans les bétons légers, la faible teneur en farine des sables légers est complétée par un ajout d additions. Ceci permet d améliorer la cohésion interne du mélange, le degré de fermeture de la surface et ainsi, éviter des ségrégations. Le remplacement partiel du ciment par des cendres volantes a l avantage de réduire le développement de la chaleur d hydratation qui est renforcée par la capacité d isolant thermique du béton léger. Consistance Dans la pratique, les bétons légers des classes de consistance C1 à C3 ont fait leurs preuves. Les bétons isolants sont souvent mis en œuvre avec des classes de consistance F4 à F5. Il faut noter que la tendance à la ségrégation, faisant remonter le granulat à la surface, augmente avec des consistances très fluides. Malaxage transport mise en place compactage Malaxage Le granulat léger est normalement dosé de manière gravimétrique. Pour cela, la teneur en eau et la masse volumique en vrac doivent être surveillées régulièrement et prises en considération lors du dosage. L ordre d introduction dans le malaxeur peut être optimisé en pré-mélangeant le granulat léger avec 2/3 de l eau de gâchage et en ajoutant ensuite le ciment et le reste de l eau. A ce moment, seuls les adjuvants liquides sont dosés afin qu ils ne puissent pas être absorbés par le granulat et perdre leur effet. La durée de malaxage minimale recommandée pour un béton léger compact est de 90 secondes après l adjonction de tous les composants. En cas d utilisation d agents, moussants la durée de malaxage augmente jusqu à secondes. 166 Holcim guide pratique du béton

312 Transport Le transport dans le camion-malaxeur ne doit pas dépasser 30 minutes pour les bétons légers d une masse volumique inférieure à 1500 kg/m 3. En cas de durées de transport plus longues, des essais préliminaires sont nécessaires. Mise en place En règle générale, les bétons légers d une masse volumique sèche supérieure à 1600 kg/m 3 sont aptes au pompage. Par rapport à la hauteur des couches de remplissage du béton courant (50 70 cm), celle des bétons légers d une masse volumique inférieure à 1500 kg/m 3 doit être réduite d environ 50 % (chapitre 3.4.4). Fig : Représentation schématique du flux de contraintes dans le béton courant (à gauche) et dans le béton léger de construction (à droite). Compactage Le béton léger exige un plus grand effort de compactage, à cause de la masse volumique plus faible et des granulats légers qui amortissent l énergie de vibration. Le rayon d action de l aiguille vibrante étant réduite d env. 30 à 40 %, il est nécessaire de rapprocher les points d introduction de l aiguille vibrante. La durée de vibration doit être adaptée à la consistance afin d éviter que les granulats légers remontent à la surface (voir chapitre 3.5). Cure Il faut prévoir des délais de décoffrage plus longs (entre 24 h et 5 jours) et des mesures d isolation thermique comme le recouvrement avec des nattes isolantes après le décoffrage en fonction de la composition du béton et de l épaisseur de l élément de construction. Ceci permet de réduire le risque de fissuration lié au gradient de température entre le cœur et la surface du béton. Le cas échéant des mesures sont à prendre pour diminuer le développement de la chaleur d hydratation (voir chapitre 3.6) Recommandations pour la planification du béton léger Comportement structural Le comportement structural du béton léger de construction est comparé à celui du béton de masse volumique courante dans la figure Alors que dans le béton de masse volumique courante le flux de contraintes passe dans le granulat, il est dévié dans la pâte de ciment durcie dont la rigidité et la résistance sont plus élevées que celles du granulat léger. Béton courant Résistance à la compression sur cube [N/mm 2 ] Module d élasticité [N/mm 2 ] Béton léger Masse volumique du béton léger [kg/m 3 ] béton léger avec sable léger béton léger avec sable naturel Masse volumique du béton léger [kg/m 3 ] béton léger avec sable léger béton léger avec sable naturel Fig : Corrélation entre la résistance à la compression sur cube et la masse volumique après séchage à l étuve d un béton léger à argile expansée. Fig : Corrélation entre la masse volumique après séchage à l étuve et le module d élasticité de différents bétons légers. Propriétés du béton durci Résistance à la compression La porosité du granulat (masse volumique) a une influence prédominante sur la masse volumique du béton: plus la masse volumique du granulat est faible, plus la masse volumique du béton léger sera faible. La résistance à la compression du béton léger dépend directement de la masse volumique du béton: plus celle-ci est basse, plus sa résistance à la compression sera faible (fig ). Holcim guide pratique du béton 167

313 5. Bétons à composition particulière 5.2 Béton léger Résistance à la traction La résistance à la traction du béton peut être évaluée sur la base de la résistance à la compression (chapitre 3.8.2). Dans le cas du béton léger, la résistance à la traction doit être corrigée par un facteur de correction dépendant de la masse volumique selon l équation 3.8.5: η l = ρ 2200 η l facteur de correction pour la résistance à la traction [-] ρ masse volumique après séchage à l'étuve du béton [kg/m 3 ] Eq Module d élasticité Le module d élasticité du béton léger dépend principalement du module d élasticité des granulats et de celui de la pâte de ciment. Les valeurs usuelles du module d élasticité du granulat léger varient entre 3000 et N/mm 2 et n atteignent qu une fraction du module d élasticité du granulat normal. En général, il est même inférieur à celui de la pâte de ciment. Selon le type de granulat léger, la résistance à la compression et la masse volumique du béton léger, le module d élasticité du béton léger de construction varie entre 5000 et N/mm 2. A résistances à la compression identiques, le béton léger présente un module d élasticité 30 à 70 % inférieur à celui du béton normal. Le module d élasticité du béton léger diminue avec sa masse volumique. Cette dépendance est illustrée à la figure pour différents types de bétons légers. Le module d élasticité du béton peut être évalué sur la base de la résistance à la compression (chapitre 3.8.3). Dans le cas du béton léger, il doit être corrigé par un facteur de correction dépendant de la masse volumique selon l équation 3.8.8: η le = ρ η le facteur de correction du module d élasticité [-] ρ masse volumique après séchage à l étuve du béton [kg/m 3 ] Eq Retrait et fluage Le retrait du béton léger est augmenté de 20 % à 50 % par rapport à celui d un béton de masse volumique courante selon la norme SIA 262. Pour le béton léger, les déformations de fluage peuvent être estimées selon la norme SIA 262. On appliquera un coefficient de fluage φ(t,t 0 ) multiplié par le facteur de correction η le (voir éq ). Tab : Exemples de formulations d un béton léger de différentes classes de masse volumique ainsi que quelques propriétés sélectionnées. Composant Ciment CEM II/B-M(T-LL) (Optimo 4) Masse volumique [kg/dm 3 ] Béton léger classe de masse volumique D1.0 Teneur [kg/m 3 ] Volume [l/m 3 ] Béton léger classe de masse volumique D1.2 Teneur [kg/m 3 ] Volume [l/m 3 ] Béton léger classe de masse volumique D1.8 Teneur [kg/m 3 ] Volume [l/m 3 ] Addition cendre volante Granulat courant Granulat léger sable 0/ argile expansée Eau Teneur en air Adjuvant fluidifiant, entraîneur d air, agent moussant selon besoin Masse volumique et volume du béton frais Propriétés de béton durci sélectionnées: résistance à la compression [N/mm 2 ] Module d élasticité [N/mm 2 ] Holcim guide pratique du béton

314 Conductibilité thermique La norme SIA 381/1 donne pour les bétons légers à base d argile expansée des valeurs de dimensionnement du coefficient en fonction de la masse volumique après séchage à l étuve (Tab ). Fig : Bétonnage d un mur en béton léger. Masse volumique sèche ρ du béton léger [kg/m 3 ] Conductibilité thermique λ [W/mK] (béton armé) 1.80 Tab : Conductibilité thermique en fonction de la masse volumique après séchage à l étuve pour les bétons légers à base d argile expansée et un béton courant (valeurs de dimensionnement selon la norme SIA 381/1). Durabilité La surface d un béton léger compact peut présenter de nombreux pores et cavités d une taille de plusieurs centimètres. Ils sont, en règle générale, sans influence négative sur la durabilité du béton. Il est recommandé d employer un coffrage absorbant pour réduire la taille et le nombre des pores. En outre, une protection par traitement hydrofuge des surfaces des éléments de construction exposés aux intempéries est recommandée lorsque la classe de masse volumique est inférieure à D1.2 (au plus tôt à l âge de 28 jours). Ceci permet d augmenter la résistance au gel du béton léger et simplifie en plus le nettoyage de la surface des salissures et graffitis. Composition du béton Le tableau indique les compositions ainsi que quelques propriétés sélectionnées du béton durci pour différents bétons légers. Holcim guide pratique du béton 169

315 5. Bétons à composition particulière 5. Bétons à composition particulière 5.3 Béton renforcé de fibres 5.3 Béton renforcé de fibres Introduction Le béton renforcé de fibres est un béton auquel on ajoute des fibres, généralement des fibres métalliques ou polymères (voir chapitre 1.5), au moment de la fabrication, afin d améliorer le comportement structural et l aptitude au service. Les fibres, enrobées dans la pâte de ciment durcie, agissent comme une armature. Dans des cas particuliers, les fibres sont additionnées pour améliorer les propriétés de béton frais, p. ex. la rigidité du béton jeune, l augmentation de la résistance au feu ou la réduction du rebond du béton projeté. Le terme béton renforcé de fibres est aussi employé lorsque le diamètre maximal du granulat est inférieur à 4 mm. Le béton fibré à ultra-hautes performances est traité séparément au chapitre 7.3. Les explications suivantes se limitent aux fibres courtes d une longueur maximale de 50 mm. L orientation des fibres dans le béton durci varie en fonction de la technique de mise en œuvre: dispersion spatiale régulière dans l ensemble du volume du béton, y compris les surfaces, les arêtes et les angles orientation préférentielle en un plan (béton fibré projeté) L addition de fibres peut réduire l ouverture des fissures par la formation d une multitude de très fines fissures qui sont en général sans conséquences. De cette manière, le développement des fissures est fortement limité (fig ). Lorsqu une première fissuration s est formée dans le béton, les fibres peuvent assurer la transmission des tensions et des forces dans la zone fissurée. A condition d être suffisamment encastrées dans la pâte de ciment, elles relient les deux flancs de la fissure et entravent sa propagation. Elles agissent donc comme un frein à la fissuration (fig ). L origine des fissures dans le béton peut varier (voir chapitre 8.4). L addition de fibres présente une mesure possible de prévention des fissures. Le tableau récapitule l emploi des fibres les plus couramment utilisées dans la pratique en fonction des causes de fissuration. Sans fibres Béton non armé Béton armé de fibres w w Avec fibres Pas de transmission des contraintes w c Transmission des contraintes w σ w (w) f c Transmission des contraintes par les fibres σ w (w) w f c Fig : Section fissurée d un béton non armé et d un béton renforcé de fibres avec la zone de transmission des contraintes lors de la fissuration initiale. Fig : Effet inhibiteur et dispersif des fibres en comparaison avec un béton sans fibres. 170 Holcim guide pratique du béton

316 Application Fibres métalliques Macrofibres polymères Microfibres polymères Aptitude au bétonnage en pente X X Tab : Champs d application des différents types de fibres. Rigidité du béton au jeune âge des éléments préfabriqués (tubings, tuyaux, éléments de canalisation) X X Retrait plastique X Retrait de séchage (éléments de construction étanches) X X Réduction du rebond du béton projeté en tunnel Augmentation de la ductilité des éléments de construction exposés à des sollicitations de choc (p. ex. collisions, explosions) Augmentation de la capacité portante (éléments de construction soumis à la fatigue) Amélioration de la résistance à l abrasion Remplacement de l armature statique (fondations, murs extérieurs de caves) X X X X X X Augmentation de la résistance au feu X Dalles de fondation sans joints, étanches X Exigences normatives En principe, le béton renforcé de fibres doit remplir les exigences de la norme SN EN En plus, il doit respecter les règles de la recommandation SIA162/6 «Béton renforcé de fibres métalliques». Les exigences complémentaires sont à spécifier; telles que le type de fibres (longueur, diamètre), leur dosage ou leurs propriétés mécaniques exigées, comme p. ex. la résistance effective à la traction par flexion f ctf ou bien l énergie de rupture G f. Fig : Dalle carrée et circulaire en béton renforcé de fibres métalliques après l essai selon SIA 162/6. Selon la recommandation SIA 162/6, ces deux paramètres sont à déterminer expérimentalement par des essais sur dalle carrée ou circulaire en béton renforcé de fibres métalliques (fig et voir chapitre 5.3.4). Alternativement, la résistance effective à la traction par flexion peut être déterminée sur un prisme de flexion (SN EN 14651: éprouvette pour fibres métalliques). Forces internes M R N R Contraintes f ctf f c 0.8x x h x Fig : Répartition des contraintes pour la détermination de la résistance ultime de la section selon SIA 162/6. Le calcul de la sécurité structurale du béton renforcé de fibres se base sur la résistance ultime de la section. De manière simplifiée, on tient compte de la contribution des fibres à la transmission des forces sur le côté en traction dans un bloc de contraintes (fig ). M R = moment de flexion N R = effort normal f c = résistance à la compression f ctf = résistance effective à la traction par flexion h = hauteur Holcim guide pratique du béton 171

317 5. Bétons à composition particulière 5. Bétons à composition particulière 5.3 Béton renforcé de fibres Un dimensionnement analogue pour les bétons renforcés de macrofibres polymères est recommandé jusqu à l introduction d un règlement normatif en Suisse. Le béton projeté renforcé de fibres possède selon la norme SN EN les propriétés supplémentaires et/ou complémentaires suivantes: classes de résistance résiduelle classes de la capacité d absorption d énergie La résistance résiduelle, aussi appelée résistance postpeak, correspond à la contrainte calculée dans le béton renforcé de fibres en fonction de la flèche de l éprouvette lors d un essai de flexion. La capacité d absorption d énergie indique la quantité d énergie qui peut être absorbée en chargeant une plaque renforcée de fibres (aire sous la courbe contrainte/flèche, voir fig ). Granulats Le diamètre maximal du granulat peut influencer la répartition et l orientation des fibres. Si la longueur des fibres est trop courte par rapport au diamètre maximal du granulat, les fibres seront écartées par le granulat et leur longueur sera insuffisante pour ponter de manière efficace les fissures entre les plus grands grains (fig ). Le diamètre maximal du granulat doit être adapté à la longueur des fibres, p. ex. pour le béton projeté il est souvent limité à 8 mm. Par contre, le béton renforcé de fibres pour les sols industriels et les surfaces de roulement peut être produit avec un granulat à diamètre maximal de 32 mm (longueur habituelle des fibres métalliques 60 mm). En général, la longueur de la fibre sera au moins 2 fois plus grande que le diamètre maximal du granulat. Un granulat concassé ou à granularité discontinue combiné à un fort dosage en fibres peut influencer négativement l ouvrabilité du béton Technologie du béton 8mm 32mm Généralités La composition des bétons renforcés de fibres correspond généralement à celle des bétons pompés (voir chapitre 4.1). Les bétons renforcés de fibres montrent un besoin de pâte en ciment plus élevé pour un enrobage suffisant des fibres et pour une bonne finition de surface. La courbe granulométrique du granulat est plus riche en sable que celle d un béton sans fibres. En règle générale, on choisit une consistance plastique à la mise en œuvre. Les bétons renforcés de fibres métalliques pour des sols industriels armés possèdent des teneurs en fibres atteignant jusqu à 35 kg/m 3. Les dosages plus élevés de 35 à 80 kg/m 3 ne sont employés dans la pratique que dans des cas particuliers, p. ex. lorsqu une grande partie de l armature minimale est remplacée par des fibres métalliques. Fig : Influence du diamètre maximal du granulat sur la répartition des fibres: à gauche distribution homogène des fibres et du granulat, à droite écartement des fibres par un granulat à diamètre maximal trop grand. Les dosages habituels des fibres polymères varient entre 0.5 et 2 kg/m³ pour restreindre le retrait plastique et 2 à 4 kg/m 3 pour améliorer la résistance au feu. Les macrofibres polymères sont dosées à raison de 3 à 10 kg/m 3 pour augmenter la capacité porteuse. Ciment En principe, tous les ciments admis par la norme SN EN sont aptes à la production de béton renforcé de fibres. 172 Holcim guide pratique du béton

318 Malaxage Les fibres sont ajoutées au béton frais pendant le malaxage. Il faut veiller à une bonne séparation des fibres et leur distribution homogène dans le béton frais. Il est avantageux de mélanger d abord le béton et introduire les fibres par la suite. La durée de malaxage humide n augmente pas en cas de fibres métalliques. L addition des fibres dans le malaxeur principal de la centrale à béton assure une répartition optimale des fibres. Les fibres peuvent aussi être ajoutées dans le camion malaxeur, en faisant tourner le tambour à haute vitesse pendant 5 minutes. Les fibres, pour des besoins statiques, ne doivent pas s endommager, se plier ou se tordre pendant le malaxage. Si l élancement des fibres (rapport entre la longueur et l épaisseur) augmente, l ouvrabilité diminue et la tendance à former des pelotes de fibres se renforce (fig ). Dans la pratique, on choisit un élancement des fibres l/d de Le dosage de grandes quantités de fibres est optimisé avec des équipements automatisés (fig ) qui facilitent le travail et permettent d épargner du temps. Les fibres sont aussi livrées collées, en faisceaux qui se décomposent dans le béton frais ou en sachets solubles dans l eau qui facilitent le dosage. Fig : Fibres métalliques dans le béton frais. Fig : Spirale de dosage pour les fibres métalliques. Mise en place La mise en place du béton renforcé de fibres est en principe identique à celui du béton courant. Le sol de fondation ne doit pas être gelé et doit montrer suffisamment de stabilité. La pose feuilles plastiques entre le sol compacté et la dalle de fondation, comme couche de séparation, rend l emploi d une couche de béton maigre souvent superflu. Dans le bâtiment, la dalle de fondation en béton renforcé de fibres est mise en place en une couche. Habituellement, on peut renoncer à une double nappe d armatures, on déverse le béton directement du camion malaxeur dans le coffrage de la dalle. De plus, il est possible d augmenter la cadence de mise en œuvre en choisissant des dimensions de plaques plus grandes. En cas de pompage du béton renforcé de fibres, le diamètre maximal du granulat sera limité en général à 16 mm. Il faut veiller à utiliser un diamètre du tuyau de pompage suffisamment grand (120 mm), et sans courbures, à cause du risque de bourrage. Compactage Les bétons à fibres nécessitent plus d énergie de compactage que les bétons sans fibres. L énergie de compactage nécessaire augmente avec la teneur en fibres. Les équipements habituels de compactage (règle vibrante ou lisseuse à ailettes) peuvent être employés. Fig : Pelotes de fibres, formées par une séparation insuffisante des fibres lors de l introduction au malaxeur et une formulation du béton inadéquate. Holcim guide pratique du béton 173

319 5. Bétons à composition particulière 5.3 Béton renforcé de fibres Fig : Diagramme contrainte-déformation pour des bétons avec et sans fibres Recommandations pour le dimensionnement du béton fibré Comportement structural du béton fibré Le béton sans fibres montre sous traction une rupture quasi subite lorsque la résistance maximale à la traction est atteinte (voir fig , courbe bleue). L effet structural des fibres métalliques dans le béton repose sur l arrachement des fibres de la pâte de ciment. L adhérence des fibres au moment de l arrachement absorbe beaucoup d énergie. De ce fait, les bétons renforcés de fibres développent une grande puissance de dissipation et montrent une ductilité élevée. Le comportement structural du béton fibré est caractérisé par sa résistance post-fissuration. Au contraire du béton sans fibres, la résistance ne tombe pas à zéro en cas d effort de traction ou de flexion, mais reste au niveau de la résistance résiduelle (fig , courbe rouge). Après la première fissuration, les fibres reliant les fissures sont arrachées de la pâte de ciment. Une fois la résistance à la première fissuration dépassée, la courbe contrainte/déformation, aussi appelée courbe de travail, est fortement influencée non seulement par le comportement vis-à-vis de l arrachement des fibres, mais aussi par le dosage en fibres. La résistance résiduelle est, en règle générale, plus basse que la résistance à la première fissuration du béton en cas de moyennes ou faibles teneurs en fibres, inférieures à la teneur nommée «sous-critique». Dans les bétons à dosage très élevé en fibres avec une teneur «sur-critique» en fibres, p. ex. les BFUP, la résistance résiduelle maximale peut même dépasser la résistance au moment de la première fissuration. Ce comportement est présenté plus en détail au chapitre 7.3. Les facteurs les plus importants qui influent sur la résistance résiduelle sont multiples (tab ). Force F force à la première fissuration béton sans fibre force correspondant à la résistance résiduelle, en fonction de la déformation u béton fibré Déformation u Les influences les plus importantes des fibres sur la résistance résiduelle la résistance résiduelle augmente avec la Dosage teneur en fibres Elancement des fibres Longueur des fibres Adhérence entre les fibres et la pâte de ciment La résistance à la traction du béton Propriétés mécaniques L addition de fibres métalliques et de macrofibres polymères peut augmenter la résistance à la compression, plus que doubler la résistance à la traction et multiplier la résistance au choc ainsi que l absorption d énergie. Le module d élasticité n est que légèrement influencé. Résistance effective à la traction par flexion f ctf La figure montre les domaines de résistance effective à la traction par flexion f ctf selon la norme SIA 162/6 en fonction du dosage des fibres polymères et métalliques. Elle met en évidence qu un dosage de macrofibres polymères de 10 kg/m 3 donnera une résistance à la traction par flexion à peu près identique à celle d un dosage de 25 kg/m 3 de fibres métalliques. Au contraire du béton Résistance effective à la traction par flexion [N/mm 2 ] macrofibres polymères pour une longueur et un dosage identiques en fibres, la résistance résiduelle augmente, lorsque le diamètre des fibres diminue pour un rapport longueur/diamètre des fibres identique, la résistance résiduelle reste à un niveau plus élevé en cas de déformations plus grandes, lorsque la longueur des fibres augmente. la résistance résiduelle augmente avec l adhérence des fibres à la pâte de ciment, tant qu elle n est pas trop élevée pour provoquer la rupture des fibres au lieu de leur arrachement plus la résistance à la traction du béton est basse, moins les fibres seront nécessaires pour obtenir une résistance résiduelle élevée Tab.5.3.2: Influence des fibres sur la résistance résiduelle. fibres métalliques Dosage en fibres [kg/m 3 ] Fig : Résistance effective à la traction par flexion f ctf selon la norme SIA 162/6 pour différents types de fibres en fonction de leur dosage. 174 Holcim guide pratique du béton

320 Fig : Surface de rupture d un béton renforcé de fibres métalliques. Fig : Dalle en béton renforcé de fibres. (Source: Bekaert (Suisse) SA). renforcé de fibres métalliques, une augmentation du dosage en macrofibres polymères ne conduira pas à une élévation de la résistance à la traction par flexion. Composition du béton Le tableau présente des compositions de béton et des résistances effectives à la traction par flexion f ctf pour différents bétons renforcés de fibres. Béton renforcé de fibres, rés. eff. à la traction par flexion 0.5 N/mm 2 Béton renforcé de fibres, rés. eff. à la traction par flexion 0.7 N/mm 2 Béton r enforcé de fibres, rés. eff. à la traction par flexion 0.9 N/mm 2 Masse volumique [kg/dm 3 ] Proportion [% en masse] Teneur [kg/m 3 ] Volume [l/m 3 ] Proportion [% en masse] Teneur [kg/m 3 ] Volume [l/m 3 ] Proportion [% en masse] Teneur [kg/m 3 ] Volume [l/m 3 ] Ciment CEM II/B-M (T-LL) (Optimo 4) Addition fibre métallique Granulat sable 0/4 gravillon 4/8 gravillon 8/ Eau Teneur en air Adjuvant fluidifiant selon besoin Masse volumique et volume du béton frais Rapport E/C Tab : Exemple de formulation d un béton renforcé de fibres pour différentes résistances. Holcim guide pratique du béton 175

321

322 Chapitre 6 Bétons à propriétés particulières 6.1 Béton étanche à l eau Introduction Exigences normatives Technologie du béton Recommandations pour l exécution des constructions étanches à l eau Béton résistant au gel/dégel en l absence ou en présence de sels de déverglaçage Introduction Exigences normatives Technologie du béton Recommandations pour la réalisation d ouvrages soumis au gel/dégel en présence de sels de déverglaçage Béton résistant aux attaques chimiques Introduction Exigences normatives Technologie du béton Recommandations pour la réalisation de béton résistant aux attaques chimiques Béton résistant à la réaction alcalis-granulats Introduction Exigences normatives Technologie du béton Recommandations pour la réalisation des bétons résistants à la RAG 199

323 6. Bétons à propriétés particulières 6. Bétons à propriétés particulières 6.1 Béton étanche à l eau 6.1 Béton étanche à l eau Fig : Schéma de principe d une cuve blanche dans la nappe phréatique. Tab : Corrélation entre les classes d exposition et l étanchéité à l eau du béton selon la norme SN EN Introduction Les infiltrations d eau représentent les dégâts les plus fréquemment annoncés aux assurances immobilières. L étanchéité revêt donc un caractère essentiel pour des constructions exposées à l humidité du sol, aux eaux d infiltration ou à l eau souterraine sous pression. Un élément de construction en béton est considéré en Suisse comme étanche à l eau, si la quantité d eau pénétrant ne dépasse pas la quantité d eau évaporable sous les conditions climatiques ambiantes du côté sec de l élément. Différents systèmes d étanchéité sont utilisés dans la pratique. Un système souvent mis en place est ce qu on appelle «une cuve blanche». Cette construction en béton étanche à l eau possède l avantage, en comparaison avec d autres systèmes d étanchéité, de remplir simultanément la fonction statique et celle d étanchéité. Des dispositifs d étanchéité supplémentaires, par exemple, ne sont pas nécessaires, ce qui rend ce type de construction très économique (fig ). Classe d exposition (CH) Propriété attendue des bétons correspondants Sorte de béton XC1, XC2 pas d étanchéité à l eau A XC3 cuve blanche l étanchéité à l eau doit être prouvée par un essai (perméabilité à l eau) niveau du terrain niveau d eau maximal nappe phréatique B Un système d étanchéité d une construction en béton étanche à l eau consiste, selon la norme SIA 272, en une construction étanche à l eau à laquelle s ajoute, si nécessaire, des mesures ou dispositifs complémentaires, comme p. ex. l étanchéité des joints de dilatation et des éléments traversants, ainsi que les injections dans les fissures, les joints de bétonnage (joints de reprise) et les fissures programmées. La limitation des venues d eau dans un élément de construction en béton dépend essentiellement des: fissures (largeur, longueur, orientation) défauts de compactage (nids de gravier, joints de bétonnage) joints de dilatation et traversées épaisseurs des éléments de construction composition des bétons gradients de pression Exigences normatives Spécifications Le béton étanche à l eau est réglementé par la norme SN EN 206-1, tandis que les constructions étanches à l eau sont régies par les normes SIA 262 et SIA 272. Il n existe pas de classes d exposition particulières pour le béton à propriétés spécifiées étanche à l eau. Si les propriétés «étanche à l eau» ou bien «résistance élevée à la pénétration d eau» du béton sont exigées, il faut alors la contractualiser dans la soumission comme propriété complémentaire. Le niveau d étanchéité à l eau du béton, auquel on peut s attendre pour les sortes de bétons attribuées aux différentes classes d exposition, figure au tableau Des investigations ou épreuves supplémentaires seront nécessaires sous certaines conditions, notamment en cas d exigences plus élevées en matière d étanchéité, d épaisseur d élément 250 mm ou d eau sous pression avec une pression correspondant à plus de 10 m de hauteur de colonne d eau. XC4, XD, XF considérés comme étanches à l eau sans épreuve jusqu à une colonne d eau de 10 m de hauteur C à G P2 et P4 178 Holcim guide pratique du béton

324 Essais En Suisse, il existe deux essais pour contrôler l étanchéité à l eau du béton: perméabilité à l eau selon la norme SIA 262/1, annexe A profondeur de pénétration d eau sous pression selon la norme SN EN Pour les constructions en béton étanches à l eau selon la norme SIA 272 et pour le béton projeté selon la norme SN EN , l épreuve de la résistance à la pénétration d eau se fait selon la norme SN EN Pour le béton projeté, l essai de perméabilité à l eau selon la norme SIA 262/1 peut être choisi en alternative. Le tableau récapitule les détails des essais de perméabilité à l eau et de la profondeur de pénétration d eau sous pression, ainsi que les valeurs limites associées. Une corrélation significative entre les deux procédures d essai n existe pas, puisque les essais reposent sur des conditions différentes, à savoir la pression et la saturation Technologie du béton Ciment Tous les ciments admis par la norme SN EN se prêtent aux applications courantes. Ce n est seulement qu à partir d une épaisseur d élément de construction supérieure à 50 cm, que le développement de la chaleur d hydratation dans le béton et les tensions provoquées par la dissipation de la chaleur d hydratation gagnent de l importance. Les mesures aptes à réduire le développement de la chaleur d hydratation, comme p. ex. l emploi d un ciment à faible chaleur d hydratation, sont décrites au chapitre 8.4. Granulat Le granulat n a pas d effet sur l étanchéité du béton à quelques exceptions près (granulats poreux ou recyclés). Une granularité continue et une teneur en farine suffisante garantissent une bonne ouvrabilité (voir chapitre 1.3). Série d essai Perméabilité à l eau selon SIA 262/1, annexe A 5 carottes h = 50 ±2 mm; d = 50 ±2 mm (carottes prélevées dans éprouvettes ou éléments d ouvrage) Procédure d essai Profondeur de pénétration de l eau sous pression selon SN EN cubes, cylindres ou prismes ( ) mm 3 surface d essai avec au moins 150 mm longueur d arête, resp. d 150 mm Tab : Les essais les plus importants de l étanchéité à l eau du béton. Surface d essai Conditionnement coffrée, latérale, (couche externe coffrée enlevée à env. 5 mm, au max. 10 mm de profondeur) 16 h < 3 jours dans le moule, jusqu à la date de l essai sous l eau (20 ±2 C) ou dans la chambre humide (> 95 %) coffrée, latérale 16 h < 3 jours dans le moule, jusqu à la date de l essai sous l eau (20 ±2 C) Direction d essai unilatérale unilatérale Milieu d essai eau eau Pression sans pression 500 ±50 kpa 5 bar Saturation partiellement saturé en eau saturé en eau Début de l essai après 28 jours après 28 jours Durée 17 jours 72 ±2 heures Critères d essai Valeur limite de conformité Prise d eau et hauteur de montée par absorption capillaire Profondeur de pénétration de l eau sous pression q w 10 g/m 2 h Profondeur de pénétration de l eau sous pression e w 50 mm Evaluation de la méthode d essai L essai de la profondeur de pénétration d eau représente la méthode la plus sévère. Holcim guide pratique du béton 179

325 6. Bétons à propriétés particulières 6.1 Béton étanche à l eau Rapport E/C Le rapport E/C influe fortement sur la capacité de pénétration de l eau dans le béton. Ceci vaut aussi bien pour l eau sous pression que l eau sans pression. A partir d un rapport E/C 0.50, on peut s attendre à une faible perméabilité à l eau comme à une petite profondeur de pénétration de l eau sous pression. Mise en place et compactage Il est impératif de prévenir les nids de gravier et le ressuage dans les éléments de construction étanches à l eau (voir chapitre 8.2). Pour cela, il est nécessaire d avoir une composition du béton et une consistance adéquates, et aussi prendre des mesures particulières lors de la mise en place. Les nids de gravier et les ségrégations au droit des raccords critiques radier-paroi et paroi-plafond peuvent être évités par: un béton de doublage avec D max = 16 mm; 1 couche d au moins 30 cm de faibles hauteurs de déversement lors de la mise en place (< 1 m) ou l emploi d une manchette pour le béton la limitation des couches de remplissage de 50 à 75 cm au maximum un compactage suffisant, éventuellement un compactage ultérieur de la dernière couche de bétonnage Cure La cure a une grande importance pour le béton étanche à l eau. Elle permet la formation d une surface de béton de la qualité visée et contribue de manière essentielle à la prévention des fissures de retrait précoce. En considération des exigences accrues, la classe de cure NBK 3 est recommandée (voir chapitre 3.6) Recommandations pour l exécution des constructions étanches à l eau Cuve blanche Le fonctionnement d une cuve blanche nécessite non seulement la mise en œuvre d un béton étanche à l eau d une épaisseur 25 cm, mais aussi la mise en place de joints d étanchéité au droit des joints de dilatation et de bétonnage ou bien encore la limitation de l ouverture des fissures du béton armé. Selon la pression d eau et la classe d étanchéité prévues, l ouverture des fissures maximale admissible est limitée par l augmentation et l adaptation de l armature du béton à la géométrie et les sollicitations appliquées sur l élément de construction. Pour l étanchéité des joints, on choisira en fonction du type de joint (joint de reprise ou de dilatation) des bandes d étanchéités incorporées ou collées, des joints hydrogonflants ou des canules d injection (fig ). Joints de dilatation bandes d étanchéité incorporées bandes d étanchéité collées Traversées tuyaux de canalisation éléments/profilés métalliques traversées de tubes Raccords bandes d étanchéité collées colle de montage profilés d étanchéité étanchéité au point de liaison Joints de bétonnage (joints de reprise) bandes d étanchéité incorporées bandes d étanchéité collées canules d injection joints d étanchéité hydrogonflants Tab : Classes d étanchéités et exemples typiques selon la norme SIA 272. Classe Description Exemples typiques 1 complètement sec aucune tache d humidité n est tolérée à l intrados de l ouvrage habitations, bureaux, locaux d archives, salles de stockage pour matériaux sensibles comme p. ex. papier, locaux pour ordinateurs remarque: cela s applique aussi dans le cas d une partie d ouvrage de sec à légèrement humide des taches d humidité isolées sont tolérées, des égouttures à l intrados de l ouvrage ne le sont pas humide des taches d humidité localement limitées et des égouttures isolées à l intrados de l ouvrage sont tolérées humide à mouillé des taches d humidité et des égouttures sont tolérées salles de stockage pour matériaux insensibles à l humidité, comme p. ex. les éléments plastiques, verres, etc., locaux de chauffage, caves locaux à fonction secondaire, parois de parkings souterrains remarque: on applique aux parois la classe d étanchéité 1 ou 2 locaux à fonction secondaire, parois de dépôts remarque: on applique aux parois la classe d étanchéité 1 ou Holcim guide pratique du béton

326 Sur la base des considérations de la physique du bâtiment, la quantité d eau évaporable devrait être inférieure à 10 g/m 2 h. Les exigences relatives à l humidité de la construction, ou des éléments de construction particuliers, sont définies selon la norme SIA 272 à l aide de classes d étanchéité. Au tableau figurent les classes d étanchéité et des exemples types. Les éléments essentiels pour la réalisation d une construction étanche à l eau sont: une épaisseur d élément de construction minimale 25 cm la définition d une classe d étanchéité le choix d une sorte de béton adéquate le choix des dimensions des éléments de construction et de la disposition de l armature, permettant la mise en place des joints d étanchéité conformes aux plans et une mise en œuvre du béton sans défaut la prise en compte, avant l exécution, des joints et des éléments incorporés pour garantir une étanchéité durable la planification des mesures nécessaires au niveau de la physique du bâtiment, p. ex. dans des locaux de cave chauffés et habités la planification du programme des travaux, des étapes de bétonnage, des joints de reprise la prévention des fissures, la délimitation des ouvertures des fissures, l étanchéité durable des fissures la prise en compte des eaux et sols agressifs pour le béton (chapitre 6.3) et l évaluation du risque de réaction alcalis-granulats (chapitre 6.4) Mesures supplémentaires Les constructions en béton étanche à l eau exigent une bonne planification et une exécution précise des détails (fig ). Les indications suivantes se rapportent aux mesures supplémentaires: couche de propreté continue couche de séparation, réduction des entraves (géométrie simple) étapes de bétonnage d au plus 600 m 2 apport largeur/longueur idéalement 1 : 1, au maximum 1 : 3 évacuation superficielle des eaux avec une pente 1.5 % section d armature minimale pour limiter l ouverture des fissures étanchéité des joints (joints de reprise et de dilatation), traversées et raccords fixation assurée des bandes d étanchéité hydrogonflantes ou des canules d injection Bien que le béton étanche à l eau prévienne les infiltrations d eau sous forme liquide, il n empêche pas la diffusion de la vapeur d eau. Pour éviter une condensation d eau sur les parois externes froides ou dans les locaux non chauffés, la vapeur d eau doit être évacuée par un échange d air suffisant ou par d autres moyens. Fig : Illustrations des éléments essentiels d une construction en béton étanche à l eau. (Source: Rascor AG, Steinmaur). Bandes d étanchéité collées Tubes d injection Bandes d étanchéité incorporées Bandes d étanchéité autogonflantes Holcim guide pratique du béton 181

327 6. Bétons à propriétés particulières 6. Bétons à propriétés particulières 6.2 Béton résistant au gel/dégel en l absence ou en présence de sels de déverglaçage 6.2 Béton résistant au gel/dégel en l absence ou en présence de sels de déverglaçage Introduction Le béton résistant au gel/dégel en présence de sels de déverglaçage est durable envers l action du gel combinée ou non avec celle des sels de déverglaçage. Les effets du gel et des sels de déverglaçage (GDS) provoquent, en quelques années seulement, la dégradation des bétons qualitativement insuffisants, entamant de manière significative l aptitude au service et la durabilité de l ouvrage. Différents facteurs, comme la composition et la mise en œuvre du béton, ainsi que les conditions d exposition, régissent la résistance au gel et aux sels de déverglaçage d un élément de construction. De plus amples informations concernant les dégâts de gel avec et sans sels de déverglaçage sont données au chapitre Exigences normatives Spécification Les normes SIA 262 et SN EN procèdent à une classification en classes d exposition XF (freezing) en fonction du type d effet (avec ou sans sels de déverglaçage)et de l intensité de l action du gel en relation avec les degrés variables de saturation (modérée à élevée). Le degré d attaque augmente de la classe d exposition XF1 jusqu à XF4 avec l effet des sels de déverglaçage et le taux d humidité. Pour la spécification des sortes de béton courantes selon la norme SN EN 206-1, on se sert des bétons de génie civil T1 à T4 qui correspondent aux sortes de béton D à G. Pour les sortes de béton D et F avec la classe d exposition XF2 une résistance moyenne au gel et sels de déverglaçage, tandis que pour les sortes de béton E et G avec la classe d exposition XF4, une résistance élevée au gel en présence de sels de déverglaçage est exigée comme propriété complémentaire. La classe d exposition XF1 ne comporte pas d exigences complémentaires concernant la résistance au gel en présence de sels de déverglaçage. La sorte de béton D couvre aussi les exigences de la classe d exposition XF3 (tab ). Les exigences relatives à la composition des sortes de béton courantes sont indiquées au tableau Exigences Sorte D (T1) Désignation Sorte E (T2) Sorte F (T3) Sorte G (T4) L évaluation de la résistance au gel du granulat se base, en Suisse, sur l analyse pétrographique selon la norme SN , qui comporte la détermination des grains inaptes à la production de béton et de mortier. Les exigences pour les teneurs maximales admises en composants inaptes des granulats figurent au tableau Classe d exposition (CH) XC4 XD1 XF2 (XF3) XC4 XD1 XF4 XC4 XD3 XF2 XC4 XD3 XF4 Rapport E/C maximal [-] Dosage minimal en ciment [kg/m 3 ] Résistance au gel/dégel en présence de sels de déverglaçage Autres exigences moyenne élevée moyenne élevée relatives aux granulats selon SN EN Tab : Exigences relatives à la composition des sortes de béton selon la norme SN EN avec un diamètre maximal du granulat de 32 mm. Les réglementations spécifiques concernant le coefficient k, notamment pour les classes d exposition XF2 et XF4 pour les combinaisons des ciments avec de l Hydrolith, sont à respecter (voir chapitre 1.5.2). Un moyen éprouvé pour augmenter la résistance d un béton au gel en présence de sels de déverglaçage consiste à introduire artificiellement dans le béton des micropores d air. La teneur en air entraîné, nécessaire pour un béton d une résistance au gel en présence de sels de déverglaçage moyenne et élevée, est déterminée par le producteur du béton. Sur demande, la valeur minimale de la teneur en air doit être communiquée à l utilisateur du béton. 182 Holcim guide pratique du béton

328 Il faut noter que pour les couches de surface en béton des dalles de roulement selon la norme SN b une teneur minimale en air mesurée sur le chantier de 3.0 % vol. est prescrite pour un béton avec D max = 32 mm et de 3.5 % vol. pour un béton avec D max = 16 mm (voir chapitre 7.5). Essais La méthode de référence pour tester la résistance au gel en présence de sels de déverglaçage est l essai selon la norme SIA 262/1, annexe C. Cette méthode est appropriée pour déterminer la résistance au gel en présence de sels de déverglaçage des bétons ayant une teneur en air supérieure à 2 % vol., c.-à-d. des bétons à air entraîné. Par contre, les bétons avec une teneur en air inférieure à 2 % vol. montrent une grande dispersion des quantités de perte de matière par éprouvette. De ce fait, cet essai ne se prête pas pour évaluer des bétons à faible teneur en air, p. ex. des bétons à haute résistance ou des bétons renforcés de fibres (fig ). Le prescripteur peut définir d autres méthodes d essai, munies de valeurs limites. La méthode d essai TFB permet aussi d évaluer les dégradations internes du béton sous l effet du gel et des sels de déverglaçage. Tous les bétons de la figure 6.2.1, aussi ceux avec une teneur en air inférieur à 2 % vol., satisfont aux exigences de l essai TFB. Perte de matière [g/m 2 ] valeur limite de la résistance moyenne valeur limite de la résistance élevée Teneur en air [% vol.] Fig : Perte de matière de l essai de gel/dégel en présence de sels de déverglaçage selon SIA 262/1, annexe C, des bétons confectionnés conformément à la norme avec des teneurs en air variables. Valeurs limites pour une résistance au gel en présence de sels de déverglaçage moyenne et élevée: voir tableau La résistance au gel en présence de sels de déverglaçage doit être contrôlée dans le cadre de l essai initial. Lors de l utilisation d un entraîneur d air, il est judicieux de vérifier son effet au moyen de la teneur en air du béton frais (teneur en air selon SN EN , voir chapitre 3.3.3) et/ou du béton durci (porosités selon SIA 262/1, annexe K). La norme SN «Couches de surface en béton: méthode d essai de la résistance au gel et au gel en présence d agents de déverglaçage» décrit une procédure en deux phases. Elle a été introduite en Suisse en 1977 sous le nom de «BE I, détermination et diagnostic de la résistance au gel en présence d agents de déverglaçage» à l aide des valeurs de porosité, et de «BE II, essai physique de la résistance au gel en présence d agents de déverglaçage». La norme SN EN : «Béton projeté partie 1: Définitions, spécifications et conformité» fixe, pour le béton projeté, l essai SIA comme méthode de référence et les essais BE I et BE II comme méthodes alternatives. L essai de gel en présence d agents de déverglaçage BE I est une méthode indirecte basée sur les caractéristiques microstructurales et des valeurs de porosité du béton. Le tableau récapitule les méthodes d essai physique directes les plus importantes de la résistance au gel en présence de sels de déverglaçage. Fig : Photos prises au microscope sous lumière UV de plaques polies: béton à air entraîné (en haut) et béton sans air entraîné (en bas) (grossissement env. 5x). Il n existe pas de corrélation entre les différentes méthodes d essai à cause des divergences dans les dispositifs des essais, à savoir la surface d essai, le principe d essai, la saturation, les cycles de température. Holcim guide pratique du béton 183

329 6. Bétons à propriétés particulières 6.2 Béton résistant au gel/dégel en l absence ou en présence de sels de déverglaçage Méthodes d essai SIA 262/1, annexe C Méthode TFB BE II selon SN Série d essai 3 plaques l 145 mm; h = 50 ±5 mm ou 4 carottes d 95 mm et h = 50 ±5 mm (carottes prélevées dans un élement d ouvrage) 2 carottes h = 70 et 90 mm; d = 50 mm 6 prismes l mm Surface d essai coffrée, latérale toute la surface toute la surface Principe d essai/ saturation recouvrement d une face avec une solution de NaCl à 3 % après imprégnation à l eau sous pression, conservation dans une solution de CaCl 2 à 35 % immersion complète dans une solution de CaCl 2 avec une densité selon Baumé de 33 à 20 C T min / T max 15 C / +15 C 25 C / +20 C 20 C / +20 C Vitesse de gel/ dégel 90 ±5 min de +15 C à 15 C 20 K/h 60 ±5 min de 15 C à +15 C 30 K/h 120 min à 25 C dans la solution saline 60 min à +20 C dans le bain d eau 19 min à 20 C dans la solution saline 9 min auf +20 C dans le bain d eau Début de l essai après 28 jours après 28 jours après 28 jours Durée/nombre de cycles gel/dégel 12 heures/28 cycles 3 heures/10 cycles 24 ±3 heures/400 cycles Critères d essai dégradation superficielle mesurée par pesée des pertes de matière de la surface d essai dégradations microstructurales facteur de résistance basé sur la diminution du module d élasticité et l allongement après n cycles gel/dégel Evaluation de la résistance au gel/ dégel en présence de sels de déverglaçage (essai de conformité) valeur limite (valeur moyenne) moyenne: m g/m 2 élevée: m ou m g/m 2 et m 28 ( m 6 + m 14 ) qualitative, selon le type et le nombre des dégâts microstructuraux: mauvaise insuffisante suffisante bonne élevée facteur de résistance basse: WFT-L < 50 % moyenne: WFT-L = % élevée: WFT-L > 80 % Evaluation de la méthode d essai la sévérité de la méthode d essai augmente dans l ordre suivant: SIA 262/1, annexe C méthode TFB BE II Tab : Essais physiques directs relatifs à la résistance au gel/dégel en présence de sels de déverglaçage du béton les plus importants. L efficacité des pores d air dans le béton durci est mesurée à l aide d une analyse d image microscopique selon SN EN (facteur d espacement L, teneur en air A 300, teneur totale en air A) sur des plaques polies. La figure illustre les différences microstructurales entre des bétons avec et sans air entraîné. granulat pâte de ciment Le facteur d espacement est une valeur caractéristique importante, qui indique, sur la base d un modèle numérique, la distance maximale d un point quelconque au sein de la pâte de ciment jusqu au bord du plus proche pore d air (fig ). Il représente donc la distance la plus longue que l eau contenue dans les pores capillaires doit traverser jusqu au plus proche pore d air. C est d autant plus favorable pour la résistance au gel en présence de sels de déverglaçage, que cette distance est courte. Le facteur d espacement ne devrait donc pas dépasser 0.20 mm. La teneur en micropores d air avec un diamètre < 300 µm (A 300 ) devrait atteindre au moins 1.5 % vol. pour un béton résistant au gel en présence de sels de déverglaçage. pores d air L Fig : Représentation schématique de la distribution des pores d air dans la pâte de ciment (L = facteur d espacement). 184 Holcim guide pratique du béton

330 6.2.3 Technologie du béton Ciment Tous les ciments admis pour les classes d exposition XF par la norme SN EN se prêtent à la confection d un béton résistant au gel en présence de sels de déverglaçage. Il est recommandé de convenir avec l auteur du projet d un début d essai retardé à un âge ultérieur à 28 jours en cas d utilisation d un ciment caractérisé par une montée lente en résistance. Eau de gâchage L emploi de l eau recyclée n est pas recommandé pour les bétons à air entraîné, puisque les matières solides et les résidus d autres adjuvants peuvent entraver le développement des pores d air artificiels. Granulats Les granulats sales, ainsi qu une teneur trop élevée en farine et en sable fin, peuvent diminuer la résistance au gel en présence de sels de déverglaçage. La granularité doit être choisie de manière à éviter un ressuage du béton ou un enrichissement en mortier fin à la surface du béton. Un granulat apte à l emploi peut contenir quelques grains gélifs (jusqu à 5 % en masse) qui, en se trouvant proche de la surface exposée du béton, peuvent provoquer sous l effet du gel des éclatements en forme de cratères, appelés «pop-outs». Ces éclatements se produisent suite à l augmentation volumique des granulats gelés (voir aussi chapitre 8.5). Adjuvants Les entraîneurs d air permettent d introduire de petites bulles de micropores d air finement dispersés dans le béton (voir aussi chapitre 1.4). L effet positif des pores d air entraîné repose surtout sur le fait d offrir à l eau un volume d expansion pour sa solidification. Le réseau de pores capillaires de la pâte de ciment étant interrompu, l absorption d eau du béton se trouve diminué. L efficacité de cette mesure dépend essentiellement de la teneur, la taille et la distribution des pores d air. La teneur totale en air devrait se situer entre 3 et 5 % vol.. Pour la formulation du béton, il faut tenir compte du fait que les pores d air réduisent la résistance à la compression du béton. Les ciments contenant du laitier (p. ex. CEM III/A) rendent parfois difficile l entraînement de pores d air par un adjuvant. La production et la mise en œuvre du béton à air entraîné sont exigeantes et influencées par de nombreux facteurs. Le tableau résume, de manière exemplaire, l influence du granulat sur la teneur en air du béton frais. D autres influences sont indiquées au tableau Règle générale Chaque pourcent volumique de pores d air correspond à une perte de résistance à la compression de 3 à 5 N/mm 2. Un pourcent volumique d air entraîné supplémentaire permet une réduction possible de l eau de gâchage de l ordre de 5 litres par m 3 de béton frais et permet d obtenir le même effet sur la consistance qu un ajout de 10 à 15 kg de farines. Les forts dosages en fluidifiants, ainsi qu en combinaison avec les réducteurs de retrait, peuvent entraver l entraînement d air. La teneur en air doit être déterminée sur le chantier à l endroit même de la mise en place, après le pompage. Additions L efficacité des entraîneurs d air peut être réduite par l emploi des additions, p. ex. la cendre volante ou le laitier. Les entraîneurs d air ne peuvent pas déployer entièrement leurs effets en cas d utilisation de cendres volantes montrant une perte au feu élevée. Le laitier granulé peut détruire en partie les pores d air à cause de sa structure (surface, rugosité). Rapport E/C La résistance au gel en présence de sels de déverglaçage diminue lorsque le rapport E/C augmente. Celui-ci ne doit pas dépasser 0.50 pour une résistance au gel en présence de sels de déverglaçage moyenne et 0.45 pour une résistance au gel en présence de sels de déverglaçage élevée (voir tableau 6.2.1). Si l on renonce à l utilisation d un entraîneur d air, des rapports E/C inférieur à 0.40 sont à viser pour obtenir une résistance au gel en présence de sels de déverglaçage suffisamment élevée. Granulat Diamètre du grain mm Forme du grain roulée concassée Influence freine la formation de pores d air favorise la formation de pores d air freine la formation de pores d air Tab : Influence du granulat sur la teneur en pores d air dans le béton frais. Holcim guide pratique du béton 185

331 6. Bétons à propriétés particulières 6.2 Béton résistant au gel/dégel en l absence ou en présence de sels de déverglaçage Consistance Les bétons à consistance terre humide avec un rapport E/C < 0.40 peuvent atteindre une résistance au gel en présence de sels de déverglaçage suffisante sans air entraîné, si les vides de compactage offrent le volume d expansion nécessaire pour l eau qui gêle. Le développement et la stabilité des pores d air dépendent de la consistance choisie. Plus la consistance du béton à air entraîné est plastique, plus l entraînement d air sera difficile. Facteurs d influence Durée de malaxage Intensité de malaxage Durée de transport Pompage Température Malaxage transport compactage Il existe plusieurs facteurs d influence des bétons à air entraîné dont il faut tenir compte dès la production jusqu au compactage (voir tableau 6.2.4). Sur le chantier, le béton à air entraîné doit être malaxé encore une fois pendant au moins 5 minutes avant la vidange du camion malaxeur. Cure La cure est définie dans la norme SIA 262 à l aide des classes de cure (NBK) 1 à 4 (voir chapitre 3.6). Il est recommandé de choisir pour les bétons des classes d exposition XF2 et XF3 le niveau d exigences accrues (NBK 3) et pour les bétons de la classe d exposition XF4 le niveau d exigences sévères (NBK 4) Recommandations pour la réalisation d ouvrages soumis au gel/dégel en présence de sels de déverglaçage Agents de déverglaçage L agent de déverglaçage le plus fréquemment employé en Suisse est le chlorure de sodium (NaCl). Pour le service hivernal des routes, les agents utilisés sont également des chlorures de calcium (CaCl 2 ) et de magnésium (MgCl 2 ) ou un mélange des deux. Par contre, dans les Effet 45 secondes: formation de pores d air insuffisante 90 secondes: formation de pores d air optimale > 120 secondes: destruction des pores d air élevée: favorise la formation de pores d air longue: réduit les pores d air peut changer la teneur en air de manière significative température du béton frais élevée: freine la formation de pores d air Méthode de compactage pervibrateurs internes détruisent en partie les pores d air Fig : Saleuse en action de déneigement. aéroports, on n utilise pas d agents de déverglaçage contenant des chlorures mais des produits à base d urée, de glycol, d alcool et d acétate. L effet sur le béton varie selon le type d agent et des effets secondaires nocifs sont possibles, comme la RAG ou la corrosion de l armature (voir chapitre et chapitre 6.4). Mesures supplémentaires Les mesures constructives visent à réduire ou à empêcher complètement la saturation en eau et l apport de chlorures dans le béton. Les mesures suivantes sont réalisées individuellement ou en combinaison en fonction de la sévérité de l exposition: installation d un système de drainage et/ou d étanchéité évacuation de l eau des éléments de construction horizontaux avec une pente suffisante 1.5 % (voir chapitre 6.1.4) prévention de la fissuration, respectivement restriction à l ouverture des fissures application d un système de protection de surface, p. ex. traitement hydrofuge Méthodes d essai Il existe un grand nombre d essais de gel ou de gel en présence de sels de déverglaçage en Suisse. Les essais de laboratoire sont censés simuler la résistance au gel en présence de sels de déverglaçage d un matériau de construction pendant sa durée de service. L effet accélérateur au laboratoire se base sur un net renforcement des conditions d essai par rapport à l exposition naturelle rencontrée dans la pratique. De ce fait, les éprouvettes seront conditionnées à de forts taux d humidité, allant même au-delà de la saturation capillaire complète, conditions qui ne seront quasi jamais atteintes dans l ouvrage. Il faut tenir compte de ces circonstances lors de l interprétation des résultats et du choix de la méthode d essai de gel ou de gel en présence de sels de déverglaçage. Durée de compactage longue: réduit la teneur en air Tab : Facteurs d influence issus du malaxage, du transport et du compactage et leurs effets sur les bétons à air entraîné. 186 Holcim guide pratique du béton

332 6.3 Béton résistant aux attaques chimiques Introduction Les bétons, dans des environnements naturels ou industriels, sont parfois exposés à un milieu chimiquement agressif et nocif. Parmi les attaques chimiques du béton, une distinction générale est faite entre les mécanismes d attaque dissolvante et d attaque gonflante. Dans ce chapitre ne sera traité, sous le thème des attaques gonflantes, que la résistance aux sulfates. La résistance vis-àvis d une réaction alcalis-granulats gonflante est discutée au chapitre 6.4. La pâte de ciment poreuse est, en règle générale, moins durable chimiquement que le granulat nettement plus dense. Pour cette raison, la résistance chimique du béton peut être renforcée au moyen de la technologie du béton, particulièrement par une densité élevée et grâce au choix d un ciment approprié. Les chapitres 8.6 à 8.8 exposent, de maniére exhaustive, les dégâts engendrés par les attaques dissolvantes et gonflantes Exigences normatives Généralités La norme SN EN procède à une classification en trois classes d exposition XA (acid) en fonction du degré d agressivité: XA1: environnement chimique faiblement agressif XA2: environnement chimique moyennement agressif XA3: environnement chimique fortement agressif En cas de suspicion de substances agressives, une évaluation de l agressivité des eaux, des sols et gaz susceptibles d attaquer le béton est nécessaire à l aide d analyses chimiques. Le degré d agressivité de la nappe phréatique, ou des sols de composition essentiellement naturelle, est évalué sur la base des valeurs limites données par la norme SN EN (voir tableau 6.3.1). Elles sont valables pour des eaux stagnantes ou à faible vitesse d écoulement, présentes en grande quantité et en contact direct, sous des températures ambiantes comprises entre 5 C et 25 C. L attaque est supposée se produire, sous des conditions hydrostatiques, dans un environnement naturel. Caractéristique chimique Eaux de surfaces et souterraines Méthode d essai de référence XA1 XA2 XA3 SO 4 2, en mg/l SN EN et 600 > 600 et 3000 > 3000 et 6000 ph ISO et 5.5 < 5.5 et 4.5 < 4.5 et 4.0 CO 2 agressif, en mg/l SN EN et 40 > 40 et 100 > 100 jusqu à saturation Tab : Valeurs limites pour les classes d exposition correspondant aux attaques chimiques des sols naturels et eaux souterraines selon la norme SN EN NH 4 +, en mg/l ISO et 30 > 30 et 60 > 60 et 100 Mg 2+, en mg/l SN EN ISO et 1000 > 1000 et 3000 > 3000 jusqu à saturation Sol SO 4 2 mg/kg total SN EN et 3000 > 3000 et > et Acidité ml/kg pren > 200 Baumann-Gully n est pas rencontré dans la pratique Holcim guide pratique du béton 187

333 6. Bétons à propriétés particulières 6.3 Béton résistant aux attaques chimiques 6. Bétons à propriétés particulières 6.3 Béton résistant aux attaques chimiques Fig : Eau sulfatée dans les Préalpes. putrides par les processus de fermentation des matières animales ou végétales. Dans les marais et zones marécageuses, la nappe phréatique peut devenir acide par l oxydation de l hydrogène sulfuré lorsque le sol ne contient pas de calcaire pour sa neutralisation. Par contre, les eaux usées industrielles peuvent contenir des acides spécifiques (p. ex. acides lactiques) ou des sels (p. ex. sulfates). La valeur la plus élevée rencontrée pour chaque paramètre chimique du tableau détermine la classe d exposition. Si deux ou plusieurs caractéristiques chimiques conduisent à la même classe d exposition, l environnement doit être classé dans la classe immédiatement supérieure, à moins qu une autre approche ne soit proposée par des spécialistes. Dans le cas des eaux souterraines, la situation géologique permet une estimation de l agressivité des eaux à l égard du béton (acide carbonique agressif, dureté). Les eaux de fonte, de pluie ou de surface sont normalement des eaux douces. Les eaux souterraines peuvent contenir des sulfates à proximité des dépôts de charbon ou de scories ou dans des sols argileux. De même, des composés soufrés peuvent être rencontrés suite à l oxydation de la pyrite et autres sulfures. Les acides libres sont rares dans la nature, hormis l acide carbonique. Le gaz carbonique peut être présent dans les eaux de source, mais aussi se former dans des eaux La résistance chimique du béton à propriétés spécifiées est réglée dans la norme SN EN par des exigences minimales relatives à la composition du béton, en particulier par le rapport E/C maximal (tab ). Cependant, en cas d une classe d exposition XA3 ou d attaque par sulfates des pieux forés ou des parois moulées, la consultation de spécialistes est préconisée (voir chapitre 7.4). Le béton des bassins biologiques des stations d épuration des eaux usées communales doit respecter les exigences minimales correspondant à la sorte de béton F (T3) et de la classe d exposition XAA définie dans le Cahier technique n o 1 de cemsuisse. Pour les pieux forés et les parois moulées de la catégorie P1, c.-à-d. dans un environnement sec, une attaque par sulfates est considérée comme improbable. Lorsqu une classe d exposition XA est spécifiée à cause d un risque d attaque par sulfates, l emploi des ciments avec une haute résistance aux sulfates selon la norme SN EN est prescrit (voir chapitre 1.1.4). La résistance aux sulfates du béton n est pas à prouver en cas d utilisation d un ciment avec une haute résistance aux sulfates. Par contre, si dans certains cas des ciments ou des combinaisons de ciments et additions sont choisis et qu ils ne sont pas considérés par la norme SN EN comme ciments à haute résistance aux sulfates, les conditions suivantes doivent être remplies: seuls les ciments libérés pour les bétons du génie civil sont admis la preuve de la résistance aux sulfates du béton doit être fournie sur la base de l essai selon la norme SIA 262/1, annexe D. L allongement l ne dépassera pas la valeur limite de 1.2 la preuve est à fournir pour chaque sorte de béton Tab : Exigences minimales relatives à la composition du béton en cas d attaque chimique dissolvante et d attaque sulfate pour bétons avec D max = 32 mm selon la norme SN EN Classe d exposition (CH) XA1 XA2 XA3 Type d agression chimique Attaque dissolvante Attaque par sulfates Attaque dissolvante Attaque par sulfates Attaque dissolvante Sortes de béton de génie civil C ou D (T1) F (T3) C ou D (T1) F (T3) Dosage en ciment minimal [kg/m 3 ] Rapport E/C maximal [-] Attaque par sulfates Pieux forés et parois moulées P2 P2 P2 Dosage en ciment minimal [kg/m 3 ] Rapport E/C maximal [-] Holcim guide pratique du béton

334 Méthode d essai SIA 262/1, annexe D Méthode TFB Série d essai/type d éprouvettes 6 carottes: d = 28 ±2 mm, l = 150 ±20 mm 3 prismes: mm 3, 3 carottes: d = 50 mm, l = 150 ±10 mm Médium d essai solution de Na 2 SO 4 à 5 % solution de Na 2 SO 4 à 4.4 % imprégnation sous pression et conservation Tab : Méthodes d essais les plus importantes de la résistance aux sulfates du béton. Début de l essai après 28 jours après 28 jours Durée d essai Critères d essai Evaluation de la résistance aux sulfates (essai de conformité) 3 mois 2 jours cycles de séchage à 50 C et 2 cycles de saturation suivie d une conservation dans la solution de sulfates à 20 ± 2 C allongement après 56 jours de conservation supplémentaire valeur limite de la valeur moyenne de l allongement l 1.2 après 56 jours 2 6 mois 3 jours de séchage à 80 ±2 C suivi d une imprégnation sous pression et conservation dans la solution de sulfates à 20 ±2 C conservation dans l eau à 20 ±2 C comme référence allongement après 56, resp. 168 jours valeur limite de la valeur moyenne de la différence de l allongement l = l sulfate l H2O l 0.5 après 56 jours l 1.0 après 168 jours la création de familles de béton n est pas admise dans le cadre de l essai initial selon l annexe A de la norme SN EN 206-1, il faut réaliser trois essais pour chaque sorte de béton, portant sur trois éprouvettes confectionnées à partir de trois charges produites à trois jours différents la fréquence d essai pour l autocontrôle de la production est identique à celle du tableau NA.9 de la norme valable pour la résistance aux chlorures. Essais La résistance aux sulfates selon la norme SN EN est contrôlée à l aide de l essai selon la norme SIA 262/1, annexe D. Cet essai présente la méthode de référence et consiste en cycles de saturation, suivis d une conservation pendant deux mois dans une solution de sulfates de sodium. Une autre procédure d essai de mesure de la résistance aux sulfates est la méthode TFB (tab ). Les résultats d essai des différentes méthodes ne montrent pas de corrélation significative à cause des différences de procédure. L essai de la résistance aux sulfates peut être spécifié en fonction des particularités du projet de construction, en choisissant ainsi un début d essai retardé (p. ex. 90 jours au lieu de 28 jours). Autres essais Il n existe pas de procédure d essai suisse ou européenne pour les agressions chimiques dissolvantes. Les essais doivent être conçus de manière à simuler une attaque chimique spécifique. Il s agit alors souvent de conservations dans un milieu agressif, éventuellement aggravées par des traitements mécaniques (abrasion), des sollicitations cycliques de température, de saturation et de séchage. Les méthodes d essai indirectes, qui mesurent l imperméabilité du béton à l égard des fluides, p. ex. par la profondeur de pénétration des eaux sous pression selon la norme SN EN , peuvent aussi servir de base pour une évaluation (voir tableau 6.3.4). Classe d exposition (CH) XA1 XA2 XA3 Profondeur de pénétration maximale selon la norme SN EN mm 30 mm Tab : Valeurs indicatives de la profondeur de pénétration d eau pour l évaluation de l étanchéité du béton en tant que mesure de sa résistance aux attaques chimiques. Holcim guide pratique du béton 189

335 6. Bétons à propriétés particulières 6.3 Béton résistant aux attaques chimiques Technologie du béton Généralités La résistance du béton envers des attaques dissolvantes et des sulfates repose sur sa résistance physique et chimique. La structure dense du béton, décisive pour sa résistance physique, dépend surtout du rapport E/C, du type de ciment et d un compactage soigné ainsi que d une cure suffisante. Le type de ciment et les éventuelles additions sont déterminants pour la résistance chimique du béton. Ciment Les ciments Portland composés avec des additions réactives, telles que le schiste calciné, le laitier, la cendre volante ou la fumée de silice peuvent améliorer la résistance chimique du béton. En remplissant avec leurs phases hydratées les pores de gel entre les produits d hydratation du ciment, les additions peuvent contribuer à la densification de la structure du béton envers des fluides agressifs. De plus, elles consomment l hydroxyde de calcium (Ca(OH) 2 ) pour former des silicates de calcium hydratés (C-S-H) pendant la réaction pouzzolanique ou hydraulique latente, de manière à ce que moins d hydroxyde de calcium lessivable ou échangeable demeure à disposition. La résistance chimique d un ciment en cas d attaque par les sulfates dépend de la composition du clinker, du ciment (teneur en C 3 A) et de la teneur en clinker, ainsi que du type et du dosage des autres constituants principaux du ciment. Granulat Les granulats naturels sont normalement nettement plus denses et chimiquement résistants que la pâte de ciment. La résistance chimique acquiert de l importance seulement lors d une agression sévère par des acides ou des bases fortes (voir chapitre 8.6). Additions Les additions inertes au béton amenuisent sa résistance chimique, puisqu elles augmentent habituellement la demande en eau et créent une structure plus poreuse du béton. Un dosage supérieur à 10 % en masse de farine calcaire favorise la formation de thaumasite (voir chapitre 8.6). Les additions réactives, comme p. ex. la cendre volante ou la fumée de silice, peuvent avoir un effet positif sur la résistance chimique, sous conditions d un dosage et d une finesse de broyage suffisants. Leur efficacité doit être testée en combinaison avec le ciment sélectionné. Rapport E/C Le rapport E/C est le paramètre décisif de la résistance chimique du béton En fonction du type d attaque et de la classe d exposition, il ne doit pas dépasser 0.50 selon la norme SN EN Mise en place et compactage La surface du béton doit être lisse et dense, exempte de cavités, afin de ne pas offrir de points d attaque aux agressions chimiques. Les moyens adéquats de prévention sont décrits au chapitre 6.1. Cure La classe de cure NBK 4 est recommandée pour les bétons résistant aux attaques chimiques. La durée de cure minimale est à adapter au type de ciment (voir chapitre 3.6). Pour les types de ciments avec une montée lente en résistance, comme p. ex. le CEM III/B, une durée de cure suffisamment longue est cruciale, afin d obtenir l imperméabilité nécessaire à la pénétration des substances chimiques. Fig : Station d épuration des eaux avec bassins d activation et de décantation. 190 Holcim guide pratique du béton

336 6.3.4 Recommandations pour la réalisation de béton résistant aux attaques chimiques Généralités Une clarification détaillée de tous les facteurs d influence et leurs relations s avère nécessaire lors de la planification des éléments de construction en béton exposés à des attaques chimiques. Les conséquences d un décapage du béton, appelé érosion du béton, sur la sécurité structurale, la durabilité et l aptitude au service, ainsi que la surveillance et le maintien de l ouvrage, doivent être étudiés. Les indications de la norme SN EN 206-1, au tableau 6.3.1, sont valables pour les sols naturels et les eaux souterraines agressifs, mais ne couvrent pas les attaques par des eaux usées ou des solutions concentrées, comme elles peuvent survenir dans l industrie. Les informations importantes pour la planification des bassins biologiques des stations d épuration des eaux usées sont fournies dans le Cahier technique n o 1 de cemsuisse. Une attaque chimique du béton peut aussi avoir lieu dans l agriculture, l industrie agro-alimentaire, telle que les laiteries, les fromageries ou les productions de jus de fruits, l industrie chimique ou dans d autres domaines particuliers (voir chapitre 8.5). Le niveau d agressivité chimique doit être évalué en fonction de la situation spécifique. Dans les installations agricoles, industrielles ou hydrauliques, les mesures au niveau des procédés techniques et les mesures constructives doivent être envisagées et, le cas échéant, réalisées afin de réduire les attaques chimiques. Les tableaux et servent de base pour mieux apprécier le degré d agressivité de certaines substances pour le béton de certains ouvrages qui ne sont pas mentionnées dans le tableau Degré de l attaque chimique Faible attaque chimique Attaque chimique moyenne Forte attaque chimique Ouvrages et agressions les fumées soufrées dans les cheminées d usines peuvent produire de hautes concentrations en sulfates dans le béton et provoquer une attaque par sulfates sous des conditions humides (arrêt de la cheminée). dans les fosses à purin/les stations d épurations peut se produire, selon la teneur en soufre du purin et les conditions de température et d humidité, une faible attaque par de l hydrogène sulfuré, ceci indépendamment de la teneur en ammonium (NH4). les écuries chaudes ou froides. dans les stations de traitement des eaux potables, la valeur ph de l eau peut baisser temporairement à un niveau agressif pour le béton en fonction du procédé de traitement. L attaque est renforcée par un écoulement permanent de l eau. dans les réservoirs d eau potable contenant des eaux douces, une attaque par lessivage de la pâte de ciment est possible. Pour les réservoirs contenant des eaux dures, la classe d exposition XC4 sera spécifiée. piscines avec béton de parement: le nettoyage avec des produits chimiques ou mécanique peut éroder rapidement la peau de ciment du béton. bassins biologiques des stations d épuration des eaux usées communales: la nitrification peut créer, dans le film biologique sur la surface du béton, des valeurs ph localement très basses, provoquant une attaque par acides, dont le degré d agressivité varie selon la composition de l eau usée et les procédés de dénitrification. tours de refroidissement avec introduction des gaz d échappement: par la condensation de la vapeur d eau sur la face interne en béton des tours de refroidissement, une attaque par acide sulfureux ou sulfurique (valeurs ph entre 3 et 7) peut avoir lieu. silos de fourrage: le fourrage est conservé par fermentation lactique. Les jus d ensilage se formant peuvent atteindre des valeurs ph de l ordre de 4 et provoquer une forte attaque chimique. installations biogaz: le biogaz contient des hydrogènes sulfurés qui peuvent se transformer en fonction des conditions de température, d humidité et d oxygénation en soufre élémentaire, acide sulfureux ou en acide sulfurique par l action des thiobactéries anaérobiques canalisations avec des eaux usées contenant des composés soufrés: l hydrogène sulfuré s échappant des eaux forme avec l eau de condensation de l acide sulfureux, ou peut être transformé par des bactéries anaérobiques en acide sulfurique stations d essence délivrant du diesel biologique (Bioéthanol), qui ne s évapore pas, provoquant une attaque par esters méthyliques d acides gras (valeurs ph de l ordre de 4). Les stations d essence sans diesel biologique correspondent aux classes d exposition XF4 et XD3. Tab : Exemples d attaques chimiques qui ne sont pas couvertes par le tableau Holcim guide pratique du béton 191

337 6. Bétons à propriétés particulières 6.3 Béton résistant aux attaques chimiques Puisque différents types d attaques sont possibles, il est important de connaître exactement les conditions du milieu pour évaluer correctement son agressivité à l égard du béton. Les facteurs suivants sont les plus déterminants: type et concentration des substances agressives et leur vitesse de réaction (tableau 6.3.6) conditions d exposition de l élément de construction, en particulier la température et l humidité et leurs variations type d attaque des substances agressives: unique, cyclique ou exposition permanente conditions d écoulement: vitesse d écoulement, turbulence, percolation en goutte à goutte sollicitations supplémentaires mécaniques par abrasion, nettoyage (au jet d eau ou au moyen de produits chimiques) âge du béton au début de l attaque chimique La vitesse et le degré de dégradation sont, non seulement influencés par la nature des substances agressives, par la composition du béton, mais aussi par les conditions environnantes. Un béton sec absorbe plus de liquides et les substances nocives pénètrent en plus grande quantité et plus profondément dans le béton. L élévation de la température accélère en général les réactions chimiques. Par contre, sous des conditions de basses températures, les fissures s ouvrent et permettent aux fluides de pénétrer plus facilement dans le béton. Le degré d agressivité diminue en général lorsque les températures baissent (exception: dégâts avec thaumasite, attaque par acide carbonique) ou lorsque l eau en faible quantité stagne pratiquement et ne se renouvelle pas. Si d autres conditions règnent, p. ex. des températures, des pressions d eau, des vitesses d écoulement élevées ou des sollicitations mécaniques supplémentaires (surtout abrasion, nettoyage), le risque accru de dégâts doit être pris en compte au cas par cas. Tab : Degré d agressivité chimique pour le béton de substances sélectionnées qui ne sont pas couvertes par le tableau Dans les ménages Dans les sols et l agriculture Dans l industrie et en cas d eaux usées Degré d agressivité Faible Moyen Fort jus de fruit babeurre acide tartrique solution de sucre bière acide tannique acide citrique, acide formique, acide humique, acide phosphorique, phénol nitrate de sodium fourrage ensilé moût ammoniaque chlorures de magnésium chlorures d ammonium huiles minérales graisses minérales essence diesel eaux douces, eaux de condensation, eaux distillées acide acétique*, acide carbonique*, acide lactique* engrais chimiques* nitrate d ammonium, sulfate de sodium, sulfate de magnésium, sulfate de calcium acides gras des graisses animales, végétales et des huiles* formiate, acétate sulfate d ammonium hydroxyde de sodium < 10 % hydroxyde de sodium % hydroxyde de sodium* > 20 % hydroxyde de potassium > 20 % hydrogène sulfuré acide sulfureux acide fluorhydrique acide nitrique acide chlorhydrique acide sulfurique * Le degré d agressivité de cette substance peut varier et, selon les circonstances, être classé comme fortement agressif. 192 Holcim guide pratique du béton

338 Mesures supplémentaires Les mesures constructives visent avant tout à réduire ou empêcher le contact direct avec les substances nocives et leur pénétration dans le béton. Les mesures citées au chapitre sont appropriées. Les fissures, les joints de bétonnage et les nids de graviers constituent des voies de cheminement préférentiel pour les solutions chimiques agressives et sont, par une circulation permanente, le lieu de propagation des dégradations de la pâte de ciment. Normalement, les résidus insolubles de la pâte de ciment forment une couche protégeant la surface du béton tant qu elle n est pas lavée ou enlevée mécaniquement. Un béton avec une étanchéité à l eau suffisante est en général assez résistant vis à vis de l eau douce. Mais, indépendamment du degré de dureté de l eau, un certain lessivage se produit toujours lorsque le béton est soumis à une circulation permanente d eau. Dans le cas d une exposition chimique agressive, des exigences accrues à élevées relatives à la largeur des fissures sont à prendre en compte. Les mesures adéquates pour limiter l ouverture des fissures sont décrites au chapitre 8.4. Il faut veiller, dans le projet de construction, à ce que du côté humide tous les joints de dilatation et toutes les traversées soient étanches aux liquides et aux gaz. En cas de risque de formation d hydrogène sulfuré, une ventilation suffisante doit être installée. En cas d agressivité extrême (p. ex. attaque par acides), la nécessité de mesures de protection complémentaires, p. ex. sous forme de revêtements synthétiques ou céramiques résistants, doit être évaluée par des spécialistes. Des revêtements en béton fibré à ultra-hautes performances peuvent constituer une solution valable pour de tels projets spéciaux, grâce à leur très haute densité (voir chapitre 7.3). Fig : Construction d une usine d incinération avec du béton résistant aux attaques chimiques. L aptitude des revêtements, des étanchéités de joints et des couches d étanchéité doit être vérifiée par des essais préliminaires et des contrôles pendant l exécution. Selon le type d ouvrage et son utilisation, il faut prévoir des contrôles d étanchéité des éléments de construction. Holcim guide pratique du béton 193

339 6. Bétons à propriétés particulières 6. Bétons à propriétés particulières 6.4 Béton résistant à la réaction alcalis-granulats 6.4 Béton résistant à la réaction alcalisgranulats Introduction La réaction alcalis-granulats (RAG) est une réaction entre des composants du granulat et la solution interstitielle du béton. Certains granulats sont chimiquement instables dans le milieu alcalin du béton et produisent un gel gonflant, nocif pour le béton. La RAG a pris de l importance en Suisse durant les dernières années, puisque le nombre d ouvrages très divers, identifiés comme atteints de la RAG, a fortement augmenté. Les dégâts apparaissent en règle générale à un âge de l ouvrage entre 20 et 40 ans. Les dégradations des ouvrages dues à la RAG sont traitées plus en détail au chapitre Exigences normatives Spécification Le cahier technique SIA 2042 «Prévention des désordres dus à la réaction alcalis-granulats (RAG) dans les ouvrages en béton» règle avec les normes SIA 262 et SN EN les exigences relatives à un béton résistant à la RAG. La procédure par étape prévoit: l évaluation de la classe de risque de l ouvrage l évaluation des classes d environnement la définition de la classe de prévention la spécification des exigences du béton Classes de risque L auteur du projet et le maître d œuvre attribuent ensemble à l ouvrage une classe de risque. Le classement dans une des classe de risque R1 (faible), R2 (modéré) et R3 (élevé) tient compte de divers aspects concernant l importance et la fonction de l ouvrage. Le cahier technique SIA 2042 fournit, dans son annexe A, les indications pratiques à suivre pour l établissement des classes de risque. Classes d environnement Les sollicitations de l ouvrage sont évaluées à l aide des classes d environnement U1 à U3. Elles prennent en compte le degré de saturation en eau du béton, les effets produits par les variations de température, les apports extérieurs d alcalins provenant des sels de déverglaçage, des eaux souterraines ou de l encaissant (tab ). Les conditions d exposition peuvent être aggravées par un milieu chimiquement agressif, une orientation sud des surfaces des éléments de construction, de grands cycles Classe d environnement U1 U2 U3 U3 U3 Classes d exposition selon SN EN (CH) XC3, XF1 ou XC4, XF1 XC4, XD1, XF2 ou XC4, XD1, XF4 XC4, XD3, XF2 ou XC4, XD3, XF4 XC1 ou XC2 XF3 ou XD2 Sortes de béton selon SN EN C D (T1) ou E (T2) F (T3) ou G (T4) C P1, P2, P3, P4 Description béton à l extérieur, protégé des intempéries et faiblement sollicité par le gel béton à l extérieur, exposé aux intempéries (brouillard salin, faible à forte sollicitation par le gel ou le gel avec sels) béton à l extérieur, exposé aux intempéries (brouillard et éclaboussures salins, forte sollicitation par le gel avec sels). Eléments structuraux dans des sols ou des eaux souterraines (évtl. agressifs pour le béton) humide ou humide/ rarement sec. Forte saturation en eau possible, sans apport significatif d alcalins externes (p. ex. nappe phréatique) forte saturation en eau avec sels de déverglaçage ou apport d alcalins externe: piles dans l eau, réservoir, bassin de rétention Tab : Attribution des sortes de bétons les plus importantes aux classes d environnement U1, U2 et U3 selon le cahier technique SIA 2042, annexe B. 194 Holcim guide pratique du béton

340 journaliers de température, un nombre annuel de cycles gel-dégel au-dessus de la moyenne, etc. Classe de prévention Le niveau de prévention est défini à l aide des classes de prévention P1 (bas), P2 (normal), P3 (élevé). Celles-ci sont issues d une combinaison d une classe de risque R1, R2 ou R3 avec une classe d environnement U1, U2 ou U3 (tab ). Classe de risque Classe d environnement U1 U2 U3 R1 P1 P1 P1 R2 P1 P2 P2 R3 P2 P2 P3 Tab : Etablissement de la classe de prévention à l aide des classes de risque et d environnement selon le cahier technique SIA Pour la classe de prévention P1, aucune mesure particulière supplémentaire par rapport aux exigences des autres normes à respecter n est requise. Pour les classes de prévention P2 et P3, l utilisation d un béton résistant à la RAG est prescrite. La classe P3 préconise la mise en œuvre de mesures supplémentaires relatives à la conception structurale, la protection et la surveillance, et la maintenance de l ouvrage (cahier technique SIA 2042, annexe C). Si un élément de construction appartient à deux classes de prévention (p. ex. face avant et arrière, supérieure et inférieure, externe et interne), les exigences de la classe supérieure prévalent. Le tableau illustre que la résistance à la RAG est une exigence qui concerne avant tout les bétons de génie civil (classes d environnement U2 et U3) et qu elle constitue une exception pour les bétons du bâtiment (combinaison U1/R3). Les spécialistes Holcim offrent leur soutien pour l établissement des classes de prévention qui nécessite un examen approfondi. Spécification du béton Selon les classes de prévention P2 et P3 le béton est spécifié comme un béton à propriétés spécifiées avec l exigence complémentaire de la résistance à la RAG, p. ex.: Béton selon la SN EN C 30/37 XC4, XD3, XF4 D max 32 Cl 0.10 C3 Exigence complémentaire: résistance à la RAG selon le cahier technique SIA Un béton résistant à la RAG selon le cahier technique SIA 2042 peut être fourni seulement par des producteurs de béton certifiés selon la SN EN Essais La procédure de prévention de la RAG, en fonction de la classe de prévention, est présentée de manière synoptique dans le graphique de la figure Le cahier technique SIA 2042 prévoit une démarche au laboratoire en trois étapes pour la justification de la résistance à la RAG. Classe de prévention 1 positive Expérience à long terme pas Classe de prévention 2 Classe de prévention 3 Fig : Procédure de prévention de la RAG pour les trois classes de prévention P1, P2 et P3 selon le cahier technique SIA négative Pétrographie du granulat Essai Microbar NR non Autres mesures de prévention oui Essai Performance NR non Changement composition Le béton peut être utilisé sans autre mesure de prévention particulière Holcim guide pratique du béton 195

341 6. Bétons à propriétés particulières 6.4 Béton résistant à la réaction alcalis-granulats L innocuité d un granulat est contrôlée sur la base de l analyse pétrographique et de l essai Microbar. L analyse pétrographique est nécessaire afin de prouver que l essai Microbar est capable de reconnaître correctement la non-réactivité du granulat. Il est également possible de renoncer à l essai Microbar et de procéder directement au contrôle de la résistance à la RAG du béton. En cas d utilisation d un granulat réactif, recyclé ou léger, la résistance à la RAG du béton doit être prouvée par un essai de performance du béton. Il est permis de faire valoir des expériences à long terme sur la base d autres bétons similaires bien documentés, qui ont été utilisés pour la construction d éléments d un âge d au moins 30 ans et comparables (géométrie, armature, orientation, exposition, utilisation), ne montrant aucun désordre significatif. Cependant cette justification n est admise que pour la classe de prévention P2. Essai Microbar La réactivité potentielle des granulats vis-à-vis des alcalins du béton est mesurée par des essais de gonflement d éprouvettes de mortier soumises à des cures successives dans la vapeur d eau, puis à l autoclave à 150 C dans une solution de potasse (fig ). L allongement relatif à la fin de l essai doit être %. Essai de performance du béton La sensibilité d une formule de béton à l égard de l alcali-réaction est mesurée par un essai de gonflement de trois prismes en béton de dimensions 70 mm 70 mm 282 mm, conservés dans une enceinte à 60 C en atmosphère saturée d humidité et dont on mesure la déformation mensuelle pendant 5 ou 12 mois (fig ). Le seuil d allongement pour un béton résistant à la RAG est après 5 mois et après 12 mois Confection des microprismes de mortier mm. Mesure de l élongation initiale des microprismes. Cure à la vapeur d eau à 100 C. Cure à l autoclave pendant 6 heures à 150 C. Mesure de l allongement à la fin de l essai. Fig : Procédure d essai Microbar selon le cahier technique SIA Confection des prismes de béton mm. 2a Conservation des éprouvettes à 60 C et 100 % d humidité relative de l air. 2b Conservation des éprouvettes dans un réacteur pendant 5 ou 12 mois. 3 Mesure de l allongement mensuel durant 5 ou 12 mois. Fig : Procédure de l essai de performance du béton selon le cahier technique SIA Holcim guide pratique du béton

342 Possibilité de transposer les résultats des essais de performance du béton Au stade du bétonnage, la formulation d un béton résistant à la RAG ne doit pas être modifiée sans l avis d un spécialiste. Si une telle modification s impose cependant pour des raisons d exploitation impératives, la centrale à béton peut proposer une alternative respectant les exigences du cahier technique SIA La preuve de la résistance à la RAG d un béton, établie au moyen de l essai de performance, peut s étendre à d autres formulations lorsque les conditions relatives au granulat, type et dosage du ciment, additions et adjuvants sont remplies (tab ) Technologie du béton Généralités Un béton résistant à la RAG est confectionné, soit à partir d un granulat non réactif, soit à partir d une formulation de béton réalisée avec un dosage et un type de ciment adéquats, éventuellement avec des additions appropriées, permettant de contenir la réactivité du granulat dans un niveau acceptable. On désigne par teneur critique en alcalins la teneur en alcalins dans le béton à partir de laquelle la réaction du granulat commence à provoquer des déformations significatives. La teneur critique en alcalins varie selon l occurrence des granulats qui réagissent différemment aux changements de la teneur en alcalins du béton. Les mesures de prévention de la RAG ne sont donc pas transposables d emblée d une région à l autre. Ciment Le clinker de ciment représente normalement dans le béton la source la plus importante en alcalins impliqués dans la réaction. Pour la production des bétons résistants à la RAG, on emploie généralement des ciments Portland composés avec une teneur réduite en clinker, comme p. ex. l Optimo 4, le Robusto 4R-S, le Fortico 5R, etc. ou du ciment au laitier comme le Modero 3B. Eau de gâchage L utilisation d eau recyclée est déconseillée pour la production de béton résistant à la RAG, puisqu elle peut conduire à un apport externe d alcalins supplémentaires. Granulat Le type de granulat réactif est le facteur de plus grande influence sur la vitesse de réaction. Les sortes de roches contenant de la silice sous forme amorphe ou partiellement cristallisée réagissent plus rapidement que les silicates avec un réseau cristallin non perturbé. Les granulats poreux, fissurés, mais aussi fraîchement concassés, se révèlent plus réactifs que des granulats denses, non fissurés, naturellement arrondis. Les gros granulats réagissent plutôt lentement, mais provoquent de plus fortes déformations et désordres que les granulats fins. Composant Granulat Ciment Type de ciment Conditions limites, exigences Les granulats proviennent du même site d exploitation et présentent une composition pétrographique comparable. Par principe, les normes SN et SN et le cas échéant l essai Microbar sont à appliquer pour la vérification. Si les granulats employés proviennent de plusieurs sites d exploitation, les preuves doivent être fournies pour tous les granulats. L incidence d un changement significatif (p. ex. supérieur à 50 %) de la teneur en granulat concassé doit être évaluée par un spécialiste. Le ciment est produit par la même cimenterie. Le béton contient le même type de ciment, de la même classe de résistance. Tab : Conditions cadre de transposition des résultats d essai de performance du béton selon le cahier technique SIA Teneur en ciment Les résultats ne sont transposables que si le béton possède une teneur en ciment égale ou inférieure d au maximum 50 kg/m 3. Valeur E/C Additions Adjuvants La valeur E/C ne peut varier que de ±0.05 au maximum. Les additions appartiennent à la même classe et proviennent du même fournisseur et du même producteur. La teneur en additions s écarte au maximum de 10 % en masse par rapport à la teneur initiale. Les changements de composition et du dosage d un même type d adjuvant sont admis sans restrictions, tant que leur contribution à la teneur en alcalins du béton n augmente pas plus que 50 % en masse par rapport à la contribution initiale. Par conséquent, il est possible d enlever un type d adjuvant mais pas d en rajouter un nouveau type dans la composition du béton. Les formulations de béton testées avec entraîneur d air sont valables pour les formulations de bétons identiques, mais sans entraîneur d air. Holcim guide pratique du béton 197

343 6. Bétons à propriétés particulières 6.4 Béton résistant à la réaction alcalis-granulats Fig : Mur de soutènement pour un passage souterrain. Adjuvants La teneur en alcalins de certains adjuvants, p. ex. les fluidifiants ou les accélérateurs, influence de manière significative les gonflements dus à l alcali-réaction. De ce fait, tous les adjuvants entrant dans la formulation d un béton doivent être compris dans la recette testée par l essai de performance du béton. La plupart des granulats suisses sont constitués par un mélange de différentes sortes de roches. On rencontre ainsi pratiquement partout des granulats contenant, en proportions variables, des roches plus ou moins alcaliréactives. Parmi les granulats suisses, seuls les calcaires purs, les dolomies, les schistes calcaires et les marbres, qui ne sont ni gréseux ni siliceux, sont considérés comme non alcali-réactifs. Toutes les autres sortes de roches, comme les calcaires siliceux, les grès, les gneiss, les roches vertes, les granites et autres roches cristallines, présentent une alcali-réactivité potentielle. En Suisse, les roches non alcali-réactives sont rares et surtout présentes dans l arc jurassien. Les granulats ronds du Plateau suisse sont plutôt peu sensibles aux teneurs habituelles en alcalins des bétons. Cependant, en cas de teneurs en alcalins élevées et un environnement humide, ces granulats peuvent réagir fortement. Les granulats des Préalpes et Alpes peuvent être parfois très réactifs et provoquer des désordres significatifs, même en présence de faibles teneurs en alcalins du béton. Les granulats riches en feldspaths et en micas altérés peuvent constituer une source d alcalins interne au béton et favoriser la réaction. Additions Les additions permettent, non seulement de réduire la teneur en clinker du ciment, mais aussi de baisser, dans le béton, la valeur ph et la concentration en alcalins de la solution interstitielle des pores. De cette manière, l alcali-réaction des granulats est diminuée, voire empêchée. L emploi de farine de roches pouzzolaniques (p. ex. Trass, phonolithes) doit être absolument contrôlé. Selon leur provenance et /ou la combinaison avec un granulat donné, elles peuvent avoir un effet positif, mais aussi négatif sur la RAG. Rapport E/C Un rapport E/C bas conduit à une faible porosité capillaire et à une structure du béton plus dense. Ceci freine la diffusion des alcalins vers le granulat réactif et réduit l apport d eau externe. Un rapport E/C élevé provoque, par le biais de la porosité capillaire plus élevée, une saturation en eau cyclique plus rapide et plus élevée. De plus, l apport externe d alcalins par les sels de déverglaçage peut augmenter. De ce fait, le risque de dégâts accompagnant la RAG se renforce (corrosion, gel). Les bétons denses ne sont pas, par principe, résistants à la RAG. Ils ne sèchent que très lentement, voire jamais complètement lorsque l épaisseur de l élément est importante. Ils peuvent posséder un taux d humidité suffisant au cœur du béton pour provoquer une RAG. Lorsque le rapport E/C baisse, la quantité d eau dans le volume de pores diminue et la concentration en alcalins et la valeur ph de la solution de pores augmentent. Ainsi l agressivité de la solution des pores vis-à-vis des granulats s accroît. La norme SN EN considère par principe le granulat recyclé, p. ex. le granulat de béton ou le granulat de gravats mixtes, comme potentiellement réactif. Les granulats industriels tels que le verre, le verre expansé, ou l argile expansée contiennent de la silice amorphe et sont généralement classés comme potentiellement réactifs. 198 Holcim guide pratique du béton

344 6.4.4 Recommandations pour la réalisation des bétons résistants à la RAG Pour le bâtiment, on ne devrait recourir qu exceptionnellement à des bétons résistants à la RAG (voir chapitre 6.4.2). Par contre, la durée de service nettement plus longue de 80 à 100 ans des ouvrages d art du génie civil doit être prise en compte par le choix de la classe de risque R3. Le cahier technique SIA 2042 préconise pour la classe de prévention P3, en plus des exigences de technologie du béton, des mesures supplémentaires qui sont à établir par l auteur du projet. Pour le génie civil, les mesures sont définies dans la convention d utilisation, tandis que pour le bâtiment, elles peuvent aussi être intégrées dans la base du projet. Les mesures supplémentaires sont les suivantes: mesures relatives à la convention d utilisation et à la base du projet mesures de conception structurale mesures de calcul mesures de protection mesures relatives à l appel d offres, à la réalisation et à l exploitation. En cas d installation d infrastructures, dont la stabilité dimensionnelle est primordiale pour l aptitude au service, comme p. ex. des vannes ou des fondations de turbines, les effets de la RAG ne sont pas seulement à considérer lors de l évaluation du risque RAG, en ce qui concerne la durabilité du béton, mais aussi à l égard du fonctionnement de l installation dans son ensemble. Les épaisseurs d éléments de construction supérieures à 1 m sont à considérer puisqu elles rendent l assèchement du béton difficile et conduisent à des gonflements absolus élevés et donc à d importants dégâts. Lorsqu un béton à composition prescrite est prévu par le maître de l ouvrage (p. ex. en cas d emploi de matériel d excavation d un tunnel), celui-ci assume la responsabilité et l obligation de justifier la résistance à la RAG du béton avant la soumission. Conditions d environnement Les paramètres les plus importants de l évaluation des conditions d environnement sont l humidité, la température et l apport externe d alcalins. Les températures élevées accélèrent le développement de la RAG. Les conditions d environnement peuvent s aggraver par des sollicitations cycliques de l élément de construction. Par rapport aux éléments sous des conditions environnementales constantes, les dégradations s intensifient dans les ouvrages en béton soumis à de forts et fréquents changements climatiques, p. ex. des cycles sec-humide ou de gel-dégel. Les sels de déverglaçage constituent un apport d alcalins, favorisant localement la RAG dans les parties d éléments d ouvrage exposées. Un mécanisme de dégradation comparable existe lorsque des agents dégivrants ou de déverglaçage comme les formiates ou les acétates sont employés. Ces substances provoquent une augmentation extrême de la valeur ph de la solution interstitielle des pores, laquelle réagit avec le granulat de manière analogue à de l alcali-réaction. Fig : Barrage. Holcim guide pratique du béton 199

345

346 Chapitre 7 Bétons pour des applications particulières 7.1 Béton de parement Introduction Exigences normatives Technologie du béton Recommandations générales pour la planification du béton de parement Recommandations particuliéres pour la réalisation du béton de parement Béton à haute résistance Introduction Exigences normatives Technologie du béton Recommandations pour la planification du béton à haute résistance Béton fibré à ultra-hautes performances Introduction Exigences normatives Technologie du béton Recommandations pour la planification des bétons fibrés à ultra-hautes performances Béton pour parois moulées et pieux forés Introduction Exigences normatives Technologie du béton Recommandations pour la réalisation du béton pour pieux forés et parois moulées Béton pour revêtements routiers Introduction Exigences normatives Technologie du béton Recommandations pour la planification des couches de surface en béton 235

347 7. Bétons pour des applications particulières 7. Bétons pour des applications particulières 7.1 Béton de parement 7.1 Béton de parement Introduction La teinte, la conception, la planéité et la précision dimensionnelle des surfaces en béton de parement (béton apparent ) font l objet d exigences spécifiques. Lors de la production d un béton de parement, une distinction est faite entre les surfaces dont le coffrage sert d élément architectural et les surfaces subissant un traitement ultérieur. Dans les deux cas, la couleur peut constituer une caractéristique d expression (voir chapitre 4.4). La réalisation des surfaces en béton de parement demande non seulement un grand savoir-faire de tous les professionnels impliqués dans le chantier, mais aussi une planification soigneuse et une exécution impeccable. Pour les ouvrages esthétiquement exigeants, une coordination optimale et une communication directe entre tous les partenaires sont indispensables Exigences normatives Types de coffrage Le béton de parement doit satisfaire aux exigences de la norme SN EN La norme SIA 118/262 définit les exigences relatives à l aspect de la surface en béton de parement en fonction de 4 types différents de coffrage (type 1 à type 4, fig ). type 1: béton d aspect ordinaire type 2: béton d aspect soigné type 3: béton de conservant l empreinte des lames de coffrage type 4: béton de conservant l empreinte des panneaux de coffrage Les types de coffrage influencent, indépendamment du traitement ultérieur de la surface, l apparence caractéristique du béton. Classes de béton de parement Les exigences spécifiques au béton de parement sont fournies par le cahier technique n o 2 de cemsuisse «Cahier technique pour les constructions en béton de parement». Les exigences à l égard de la surface du béton sont décrites à l aide de 4 classes de béton de parement (SBK 1 à SBK 3 et SBK S). Le type de coffrage 1 n est admis pour aucune des classes de béton de parement. La classe de béton de parement SBK S demande la spécification du type de coffrage par l auteur du projet (tab ). Coffrage type 1: béton d aspect ordinaire Coffrage type 2: béton d aspect soigné Les exigences esthétiques relatives à la surface en béton de parement augmentent avec la classe de béton de parement. La classe de béton de parement SBK 1 représente la qualité minimale, sans objectif clair d une volonté d expression particulière. Dans la plupart des cas, on choisit les classes de béton de parement SBK 2 et SBK 3. La classe de béton SKB S constitue une classe spéciale, «ouverte». Elle permet la spécification de caractéristiques de surface exceptionnelles. Les classes de béton de parement sont définies sur la base de 5 paramètres (texture, bullage, teinte, planéité et joints). Coffrage type 3: béton de conservant l empreinte des lames de coffrage Coffrage type 4: béton de conservant l empreinte des panneaux de coffrage Fig : Types de coffrage selon la norme SIA 118/ Holcim guide pratique du béton

348 Texture (TX) La texture décrit la structure de la surface du béton et l exécution des joints entre les éléments. Les exigences sont formulées par rapport à l homogénéité et l uniformité de la surface, les bavures de pâte de ciment aux joints (fig ) et l étendue des décalages, décrochements et redents. Bullage (LK) On entend par bullage l apparition de creux et de pores ouverts à la surface du béton (fig Une évaluation qualitative de l apparence se base sur leur fréquence et leur régularité. Les bulles ayant un diamètre > 15 mm sont inadmissibles pour un béton de parement. Le nombre de creux avec un diamètre moyen compris entre 1 et 15 mm peut être limité, p. ex. sous forme de proportion de surface occupée par les bulles sur une surface test de 500 x 500 mm. Types de coffrage selon norme SIA 118/262 Type 1: béton d aspect ordinaire Type 2: béton d aspect soigné Type 3: béton de parement conservant l empreinte des lames de coffrawge Type 4: béton de parement conservant l empreinte des panneaux de coffrage Spécification du type de coffrage par l auteur du projet Classe de béton de parement selon cahier technique n o 2 cemsuisse aucune SBK 1 SBK 2, SBK 3 SBK 2, SBK 3 SBK S Tab : Attribution des types de coffrage aux classes de béton de parement. Teinte (FB) Les critères d évaluation de la teinte sont le ton de la teinte et sa régularité. Les exigences posées concernent les déviations de couleur et variations de teinte claire-foncée (formation de voiles, fig ). Joints (FG) L exécution des joints de bétonnage et de coffrage est primordiale pour l apparence générale (fig ). Les exigences se rapportent non seulement à l exécution, mais aussi à l étanchéité des joints, ainsi qu à la protection des arêtes et le décalage entre les étapes de bétonnage. Planéité (EH) La planéité de la surface en béton de parement est influencée essentiellement par la planéité et la rigidité du coffrage. Les exigences quantitatives en matière de tolérances sont définies en fonction de la distance de mesure (fig ). Les exigences des 5 paramètres sont résumées dans les tableaux à Tolérance admissible adm [mm] Distance de mesures, resp. écart entre les points de mesures [m] classe de béton de parement SBK 1: EH1 (type de coffrage 2) classe de béton de parement SBK 2: EH1 (type de coffrage 3 et 4) classe de béton de parement SBK 3: EH2B (DIN 18202) pore d air creux granulat Fig : Exigences à l égard de la planéité des surfaces de béton. Fig : Section d un béton avec des bulles en surface et des pores d air à l intérieur du béton. surface du béton cœur du béton pâte de ciment Fig : Joint de coffrage non étanche. Fig : Variations de teinte claire-foncée (formation de voiles). Fig : Joint de bétonnage horizontal camouflé par un faux joint sous forme d une gorge trapézoïdale. Holcim guide pratique du béton 203

349 7. Bétons pour des applications particulières 7.1 Béton de parement Tab : Explication et exigences de la classe de béton de parement SBK 1. Explication Texture Bullage Teinte Qualité minimale sans conception d un aspect particulier, exemples: parois de caves ou locaux industriels surface du béton lisse, fermée et largement uniforme bavures de pâte de ciment jusqu à une largeur d env. 10 mm et une profondeur d env. 5 mm décalages, décrochements et redents sont admissibles jusqu à 5 mm empreinte de l élément de coffrage tolérée pas d exigence concernant la fréquence des creux variations de teinte claire/foncée (formation de voiles) sont admissibles coulures de rouille et salissures ne sont pas tolérées Planéité EH 1 (fig ) Joints joints sont étanches et des bavures de mortier fin, apparues lors de la précédente étape de bétonnage, sont éliminées en temps utile décalage de surface toléré jusqu à env. 10 mm Tab : Explication et exigences de la classe de béton de parement SBK 2. Explication Texture Bullage Teinte Qualité normale avec une conception d un aspect spécifié, exemples: cage d escalier, mur de soutènement surface du béton lisse, fermée et largement uniforme bavures de pâte de ciment ne sont pas tolérées légers décrochements techniquement inévitables tolérés jusqu à 3 mm d autres exigences relatives aux joints de coffrage et empreintes d éléments de coffrage sont à fixer en détail le niveau d exigence quant à la fréquence des creux doit être fixé par l auteur du projet, p. ex. 0.5 % de la surface test variations régulières et uniformes de la teinte claire/foncée (formation de voiles) sont admissibles changements de peau de coffrage, du mode de traitement de celle-ci ou de composants du béton, ne sont pas tolérés Planéité EH 1 (fig ) Joints joints sont étanches et des bavures de mortier fin, apparues lors de la précédente étape de bétonnage, sont éliminées en temps utile léger décalage des surfaces toléré jusqu à 5 mm les arêtes (arêtes vives) doivent être protégées Tab : Explication et exigences de la classe de béton de parement SBK 3. Explication Texture Bullage Teinte Qualité supérieure avec une conception correspondant à une recherche esthétique précise, exemples: façades de bâtiment exigences fixées par l auteur du projet dans le plan de calepinage dimensions et structure des éléments de coffrage type et disposition des joints disposition et étanchéité des joints de coffrage profil, largeur et situation des arêtes trous d ancrage: type, situation, obturation niveau d exigence quant à la fréquence des creux doit être fixé par l auteur du projet, p. ex. 0.5 % de la surface test grandes zones de variations de teinte engendrées par des composants d origine et de type différents, par des changements de la peau de coffrage ou du traitement de celle-ci ou par une cure inappropriée, sont inadmissibles variations minimes de la teinte claire/foncée (formation de voiles) et déviation minime dans le ton de la teinte sont admissibles taches de rouille et salissures, couches de déversement du béton bien visibles ainsi que colorations diverses ne sont pas tolérées Planéité EH 2A / 2B (fig ) Joints exigences fixées par l auteur du projet (voir plan de calepinage) 204 Holcim guide pratique du béton

350 Explication Texture Bullage Teinte Planéité Joints Classe spéciale correspondant à une conception originale de l aspect, exemples: éléments de construction représentatifs du bâtiment tous les critères sont à fixer de manière détaillée par l auteur du projet Tab : Explication et exigences de la classe de béton de parement SBK S Technologie du béton Ciment Tous les ciments admis par la norme SN EN se prêtent à la confection de béton de parement. Néanmoins, l emploi de certains types de ciment convient plus spécialement en raison de leurs propriétés particulières. Les ciments Portland composés (p. ex. l Optimo) améliorent, grâce à leur teneur en schistes calcinés et filler calcaire, le pouvoir de rétention d eau et réduisent ainsi le risque de ségrégation. La composition favorable de ces ciments diminue en plus le risque d efflorescences calcaires. Les ciments Portland blancs (p. ex. Albaro) se prêtent tout particulièrement pour les éléments de constructions clairs ou teintés (béton coloré). En comparaison avec le ciment Portland gris, l emploi du ciment blanc permet d obtenir des teintes nettes et pures (haute intensité de couleur), notamment dans le cas de béton teinté en noir. Afin de garantir une haute uniformité de la teinte et pour les constructions des classes de béton de parement SBK 2, SBK 3 et SBK S, le type et la provenance du ciment ne doivent pas être modifiés durant les travaux de bétonnage. Eau de gâchage Pour les constructions des classes de béton de parement SBK 3 et SBK S, il est préférable de renoncer à l emploi de l eau recyclée pour la confection du béton ou bien son utilisation est à convenir, au préalable, avec le maître de l ouvrage. Granulat La granularité du granulat doit de préférence comporter une teneur en sable suffisamment élevée et correspondre à celle d un béton pompé. Les farines influent de manière décisive la teinte, le pouvoir de rétention d eau et la nature de la surface du béton. De ce fait, la teneur en farine pour un béton de parement doit satisfaire au moins les valeurs indicatives figurant au chapitre 1.3. Dans les cas d une surface de béton traitée ultérieurement, la forme et la couleur du granulat supérieur à 4 mm influent sur l aspect de la surface. Additions Le béton de parement peut être teinté à l aide de pigments (voir chapitre 7.1.5). Le dosage dépend de la teinte visée et de l intensité de la coloration, ainsi que des composants du béton. De ce fait, des essais préliminaires sont absolument à recommander. Selon les circonstances, les pigments peuvent modifier significativement la demande en eau du béton à cause de leur surface spécifique élevée (voir fig ). Consistance Le béton de parement peut être produit avec une classe de consistance C3 / F3 F5 autoplaçant, mais le plus souvent on choisit des bétons avec une consistance plastique. La consistance peut influer sur la teinte et sur le bullage du béton. Rapport E/C Pour garantir une teinte uniforme de la surface du béton, il est important de garder le rapport E/C constant pour toutes les livraisons du béton en tenant compte de l humidité du granulat (voir chapitre 8.1). Le ressuage du béton est absolument à éviter (voir chapitre 8.3). Malaxage mise en place compactage Pour prévenir des pertes de qualité, entre autres par des ségrégations, des déviations de teintes ou une prise précoce, le respect de valeurs empiriques suivantes s est avéré particulièrement pertinent: durée de malaxage minimale (60 secondes) adaptation précise de la production du béton, des temps de transport, de la vitesse de mise en place homogénéisation avant le transbordement (au moins 2 minutes dans le camion malaxeur) pas d ajout d eau ultérieur sur le chantier une température du béton frais aussi constante que possible pour toutes les livraisons. La mise en place dans le coffrage selon les règles de l art est une condition primordiale pour l obtention d une haute qualité de béton de parement. La hauteur de déversement est à réduire de moitié (< 70 cm) par rapport à celle d un béton normal et l épaisseur de la couche de déversement se limite à cm. En cas de mise en place en plusieurs couches, il faut veiller à plonger l aiguille Holcim guide pratique du béton 205

351 7. Bétons pour des applications particulières 7.1 Béton de parement vibrante environ 10 à 15 cm dans la couche précédente déjà compactée, afin d atteindre une bonne interpénétration des deux couches et prévenir l apparition de zébrures à la surface du béton suite aux différences de teinte des différentes couches de béton (règles du bon compactage, voir chapitre 3.5). Cure En principe, les prescriptions de la norme SIA 262 s appliquent au béton de parement. La cure du béton de parement poursuit principalement les deux objectifs suivants: garantie d une hydratation homogène de la zone de surface du béton pour une bonne régularité de la teinte protection de la surface de béton de parement et de l armature de raccordement vis-à-vis des venues d eau précoces En cas d exécution en plusieurs étapes des éléments de construction en béton de parement, il faut veiller à tenir constante la durée pendant laquelle le béton demeure dans le coffrage. En outre, le décoffrage du béton doit se faire sans interruption et les surfaces décoffrées doivent rester libres (pas d appui d éléments de coffrage), afin d éviter l apparition de taches. Pour le béton de parement, les mesures de protection suivantes sont recommandées: recouvrement des surfaces de béton décoffrées avec des films plastiques en tant que protection contre Fig : Protection de l armature de raccordement avec un film plastique. l évaporation (éviter le contact direct du film avec le béton, prévenir l effet de cheminée, pas de bandes collantes pour fixer les films) maintien de l humidité (pour éviter des efflorescences), mais sans condensation de l eau protection des arêtes et angles contre des dégâts mécaniques ne pas exposer les surfaces de béton de parement directement aux fortes pluies ou ne pas les asperger avec de l eau étude soigneuse de l évacuation d eau des surfaces de façade dans les zones exposées aux intempéries et les acrotères emballage des armatures en saillie (armature de raccordement) avec une feuille de plastique (fig ) afin d éviter les coulures de rouille A moins qu ils ne soient complètement éliminés par la suite ou n aient pas d effet négatif sur des travaux ultérieurs, les produits de cure ne sont pas recommandés pour les joints de bétonnage, les surfaces traitées ultérieurement ou encore pour les surfaces soumises à des exigences particulières quant à leur aspect Recommandations générales pour la planification du béton de parement Peau de coffrage La peau de coffrage a un effet déterminant sur l apparence de la surface du béton (fig ). Les types de peau de coffrage se distinguent fondamentalement par leur pouvoir absorbant et la texture de leur surface. Fig : Série de surfaces de béton obtenues au moyen de peaux de coffrage différentes. Une peau de coffrage absorbant de l eau permet l élimination de l air occlus et/ou de l eau en excès dans la zone superficielle du béton et favorise des surfaces sans bullage et avec une teinte foncée uniforme. Une peau de coffrage non absorbante rend la fabrication de surfaces claires et lisses possible, mais peut faciliter l apparition de creux, de marbrures, voiles et variations de teintes (tab ). 206 Holcim guide pratique du béton

352 Type de peau de coffrage Absorbant Non absorbant Matériau de peau de coffrage lames brutes ou rabotées panneaux agglomérés panneaux non traités natte drainante panneaux traités revêtement synthétique résine synthétique banches métalliques matrices Fig : Application de l agent de démoulage à l aide d un pulvérisateur. Tab : Types et matériaux de peau de coffrage. Agents de démoulage Les agents de démoulage assurent un décoffrage optimal des surfaces de béton et une reproduction impeccable de la peau de coffrage, sans défaut aux endroits délicats, tels que les arêtes et les angles. Le bon choix et la quantité exacte appliquée du produit de démoulage sont primordiaux pour un aspect uniforme et un faible bullage (respecter les indications des producteurs). Les agents de démoulage servent aussi à conserver et soigner le matériau du coffrage de manière à pouvoir utiliser les éléments de coffrage à plusieurs reprises. Il existe différents types d agents de démoulage, tels que les huiles, les cires, les laques et les émulsions. Les agents de démoulage sont formulés avec ou sans solvant. Tandis que les agents de démoulage sans solvant sont prêts à l emploi dès leur application, les agents de démoulage avec solvant développent leurs propriétés de séparation seulement après que les solvants se soient éventés. Les temps de ventilation peuvent être allongés notablement en cas de basses températures, d humidité de l air élevée ou en cas d application d une couche épaisse du produit. Après leur application, les agents de démoulage sont à répartir régulièrement en un deuxième passage avec un racloir ou, encore mieux, avec un chiffon (fig et ). Normalement, la quantité nécessaire à appliquer sur une peau de coffrage non absorbante est très faible. Le film d agent de démoulage doit être aussi uniforme et mince que possible (env. 10 ml/m 2 ). De longues durées d attente d un coffrage monté et traité avec l agent de démoulage sont à éviter. Une application trop épaisse d un agent de démoulage peut provoquer des colorations jaunes à brunes (fig ) et le bullage de la surface du béton (fig , voir aussi chapitre 8.1). Fig : Répartition régulière de l agent de démoulage avec un chiffon. Fig : Colorations suite à un dosage excessif de l agent de démoulage. Fig : Bullage de la surface suite à un dosage excessif de l agent de démoulage. En conséquence, il est indispensable d adapter l agent de démoulage à la peau de coffrage, au béton et aux conditions d environnement, en tenant compte des recommandations des producteurs de coffrages et d agents de démoulage. Holcim guide pratique du béton 207

353 7. Bétons pour des applications particulières 7.1 Béton de parement Ancrage du coffrage Le nombre et l espacement des points d ancrage dépendent du type de coffrage et de la pression exercée sur le coffrage par le béton frais. L obturation des trous d ancrage est importante pour l aspect d ensemble de la surface du béton de parement. Dans la pratique, on se sert de bouchons synthétiques ou métalliques. Les deux types de bouchons sont placés, soit affleurant au niveau de la surface, soit un peu en retrait, si p. ex. une image régulière des points d ancrage doit rester visible. Comme alternative, il est possible de colmater les trous d ancrage avec un mortier de couleur similaire. Une méthode plus contraignante consiste à confectionner des bouchons avec le même béton de parement (fig ). Il est préférable que la disposition et l exécution des joints de bétonnage et des faux joints soient convenues entre l auteur du projet et l entreprise de construction. Un accent optique peut être apporté à un joint de bétonnage au moyen d une gorge, réalisée à l aide de baguettes en bois triangulaires ou trapézoïdales (fig à gauche et au centre). Lors de la pose de ces baguettes, il faut veiller à respecter une épaisseur d enrobage suffisante de l armature. Si aucune gorge n est prévue, les joints de bétonnage peuvent être exécutés avec des baguettes rectangulaires fixées sur la face interne du coffrage (fig à droite). La baguette est enlevée après le décoffrage de la première étape de bétonnage et l espace rempli avec le béton de l étape suivante. La surface de béton montre alors un profil parfaitement plan Première étape de bétonnage Seconde étape de bétonnage Bouchon synthétique Bouchon métallique Fig : Exécution du joint de bétonnage avec une baguette trapézoïdale (à gauche), triangulaire (au centre) et rectangulaire, puis remplissage (à droite). Obturation avec un mortier de réparation Fig : Types d obturation des trous d ancrage. Bouchon confectionné avec le même béton de parement Joints Les joints visibles sur la surface du béton de parement se situent aux joints de coffrage ou aux joints de bétonnage et aux faux joints. En cas d exigences normales, les joints doivent être suffisamment étanches pour ne laisser échapper que très peu de pâte de ciment. Dans des cas particuliers, les joints de coffrages sont étanchés avec des bandes de mousse synthétique ou de caoutchouc cellulaire. Arêtes Les arêtes sont en général chanfreinées à l aide de profils triangulaires. On spécifie souvent aussi des arêtes vives, c.-à-d. ni chanfreinées ni arrondies comme élément de forme caractéristique. Les arêtes et angles vifs peuvent se casser ultérieurement malgré une exécution méticuleuse. En outre, il faut tenir compte des risques de blessure des passants dans des zones piétonnes et d endommagement du béton de parement. Un coffrage rigide, une géométrie exacte de la peau de coffrage et une étanchéité supplémentaire des joints de coffrage sont indispensables pour la réalisation des arêtes vives. Elles doivent ensuite être protégées après le décoffrage. (fig ). Distanceurs Les distanceurs assurent l épaisseur d enrobage nécessaire de l armature entre la peau de coffrage et la nappe externe de l armature. Ils doivent être choisis en fonction de l élément de construction. La surface d appui sur le coffrage doit être aussi petite que possible. Afin d éviter l apparition des distanceurs à la surface, il est préférable d utiliser des éléments constitués du même matériau que le béton, Les distanceurs à base de ciment doivent être saturés en eau immédiatement avant la fermeture du coffrage et le bétonnage. Les distanceurs en matière synthétiques ne sont pas recommandés pour le béton de parement. 208 Holcim guide pratique du béton

354 l exécution des surfaces de béton dans les conditions cadre de l ouvrage et du chantier la définition et l optimisation des efforts nécessaires, de l instruction et de la formation du personnel la représentation pratique de tous les détails d exécution, entre autres la teinte, la texture, etc. la définition de l apparence à convenir contractuellement avec le maître d ouvrage Fig : Protection des arêtes vives décoffrées d un élément mural. (Source: Conzett Bronzini Gartmann AG, Chur). Conditions climatiques Les conditions climatiques pendant la durée du chantier et de service influencent l apparence du béton. Des conditions d environnement défavorables, pendant la phase d assèchement du béton jeune (p. ex. de trop grandes différences de température diurne et nocturne, fortes variations de l humidité de l air, condensation matinale, givre), influent fortement sur l aspect optique des surfaces de béton de parement même si des efforts considérables au niveau des études et de l exécution ont été entrepris. La réalisation de constructions en béton de parement sous des conditions hivernales peut notamment provoquer, à cause des basses températures, l apparition de colorations claires-foncées et des efflorescences (voir chapitre 8.3). Pendant la durée de service, il faut soigneusement étudier l évacuation de l eau de pluie des surfaces en béton de parement exposées directement aux intempéries, afin de restreindre au maximum les salissures et la couverture végétale ou microbiologique, afin de garantir à long terme une apparence uniforme. Les facteurs d influence de l évacuation de l eau et l apparition de salissures sont: l orientation de la surface (exposée ou protégée des intempéries, ensoleillement, vent, hauteur de l élément de construction) l inclinaison de la surface (verticale, inclinée vers l intérieur ou vers l extérieur) la texture (nature rugueuse ou lisse de la surface) le pouvoir d absorption d eau du béton (porosité) Surface test Les surfaces test doivent être représentatives de la géométrie typique des éléments de construction, de l enrobage, de la densité et de la répartition de l armature, des éléments incorporés, de la méthode de mise en place et de la composition prévue du béton. Les surfaces test sont réalisées en poursuivant les buts suivants: La réalisation des surfaces test est, selon le cahier technique pour les constructions en béton de parement, hautement recommandée pour la classe de béton de parement SBK 2, mais surtout pour la classe de béton de parement SBK 3. Pour la classe de béton de parement SBK S, les surfaces test ne seront exécutées que sur demande de l auteur du projet. La classe de béton de parement SBK 1 ne demande pas de surfaces test. En règle générale, on exploite pour les essais de bétonnage les éléments de construction d importance moindre comme les parois de cave ou sans exigence de béton de parement. Evaluation Les critères d évaluation du béton de parement se basent sur la spécification des surfaces de béton de parement dans la soumission. Les aspects suivants sont à considérer lors de l évaluation: un délai suffisamment long entre le décoffrage et le moment de l inspection visuelle, puisque l apparence de la surface du béton jeune peut encore changer les surfaces ne sont pas reproductibles sans aucune tolérance, puisque les variations naturelles au niveau des composants, la dispersion admise de la composition du béton et les effets convergents de la peau de coffrage, de l agent de démoulage et des conditions météorologiques ne permettent pas des résultats de bétonnage parfaitement identiques les différences et irrégularités minimes de la texture et de la teinte sont inévitables (météo, changement de personnel, retards lors de la mise en œuvre, contributions de tiers, etc.). L impression générale prime sur les détails de l aspect lors de l évaluation. La mise en pratique d une évaluation doit respecter les points suivants: une distance d observation habituelle des personnes fréquentant l ouvrage ou l élément d ouvrage les caractéristiques essentielles de l ouvrage sont englobées (surfaces représentatives) les caractéristiques conceptionnelles sont reconnaissables des conditions normales de lumière du jour et d éclairage l âge de la surface à évaluer (au moins 28 jours entre le décoffrage et l évaluation à cause des changements de teinte de la surface du béton de parement). Holcim guide pratique du béton 209

355 7. Bétons pour des applications particulières 7.1 Béton de parement Recommandations particuliéres pour la réalisation du béton de parement Conception des surfaces Les surfaces peuvent être conçues non seulement par le choix de la peau de coffrage et la disposition des joints et points d ancrages, mais aussi par d autres moyens: les matrices le traitement de surface le photobéton le béton coloré Matrices Un effet particulier architectonique est obtenu à l aide des matrices individuellement structurées (fig ), insérées au coffrage. Les possibilités de création vont d une surface avec imitation de lames brutes jusqu aux images produites sur la surface par des effets d ombres et de lumières. Traitement de surface Lors du traitement des surfaces avec de l eau, des produits chimiques ou des moyens mécaniques, il faut veiller à conserver l enrobage d armature exigé (tab et 7.1.8). Fig : Conception de surfaces structurées à l aide de matrices, relief (en haut), ornement (en bas). Tab : Procédés de traitement des surfaces de béton avec de l eau et des produits chimiques. Procédé Lavage fin Description La pâte de ciment de la surface du béton jeune est enlevée jusqu à une profondeur de 1 à 2 mm, ce qui confère à la surface un aspect de grès. La teinte est influencée par la pâte de ciment et le granulat selon la profondeur du lavage. Lavage grossier Mise à jour presque de la moitié du granulat grossier, c.-à-d. à une profondeur de plus de 2 mm. Il en résulte une surface grossière, désignée béton lavé. Cette surface est obtenue à l aide de retardateurs spéciaux, sous forme de pâte étalée sur la surface du béton, suivi de l élimination de la couche retardée par jet d eau. La forme et la couleur du granulat sont dominants. Attaque à l acide La dissolution à l acide de la peau de ciment en surface du béton durci met légèrement en évidence le granulat. La surface peut paraître un peu rêche, selon la profondeur de l attaque et la sensibilité aux acides du granulat. Jet d eau sous pression Le traitement de la surface du béton au jet d eau se fait comme pour le lavage fin sans retardateur. Jet d eau basse pression: MPa ( bar) Jet d eau haute pression: MPa ( bar) Jet d eau trés haute pression: > 1700 MPa (> 1700 bar) En fonction de l intensité du traitement au jet d eau, des surfaces plus ou moins rugueuses apparaissent. 210 Holcim guide pratique du béton

356 Photobéton Le photobéton est une forme particulière de béton de parement. Les techniques spéciales (procédé photolithique, technique de fraisage assistée par ordinateur/ vectogramme) permettent une empreinte durable de photographies ou autres motifs en surface du béton. Le procédé photolithique consiste à transformer la photographie, qui sera transposée sur la surface du béton, en un modèle noir et blanc qui sera imprimé par sérigraphie sur un film synthétique d une épaisseur millimétrique. Au lieu d utiliser des couleurs, un produit retardateur est appliqué en couches d épaisseur variable. Cette pellicule est insérée dans le coffrage. Le retardateur conduit à une prise plus ou moins rapide à différents endroits. Après 16 à 24 heures, l élément en béton peut être décoffré et lavé sous une faible pression d eau. Il en résulte des variations entre teintes claires et foncées en fonction des zones lisses et rugueuses. Le vectogramme est une technique de gravure permettant de reproduire les informations provenant d une image par le fraisage assisté par ordinateur d un modèle. Celui-ci servira de base pour fabriquer un moule pour l élément de photobéton. Avec cette technique, il est possible de reproduire des images de taille illimitée. Après le décoffrage, le béton observé de près présente une structure en arêtes, créant un jeu d ombres et de lumières, qui fait apparaître l image à partir d une certaine distance d observation. Procédé Sablage Description Le traitement par sablage conduit à une surface similaire à celle du lavage fin, mais ici le granulat est rendu rugueux et perd son éclat. La surface paraît mate et rugueuse. La profondeur du traitement varie selon la demande. Tab : Procédés de traitement mécanique des surfaces de béton. Ponçage Tant que la surface n est que poncée légèrement, de manière à ce que le granulat devienne à peine visible, la teinte de la pâte de ciment est dominante. La couleur du granulat domine lorsque le ponçage fait bien apparaître celui-ci. Dans les deux cas, la surface est très lisse et brillante. Un polissage supplémentaire renforce nettement l éclat de la surface. Bouchardage La surface du béton est travaillée grossièrement à la boucharde, ce qui lui confère un aspect rugueux de pierre naturelle. Brochage et bosselage Traitement à la broche de la surface du béton destiné à la rendre fortement rugueuse en fonction des cassures par éclatements. La surface bosselée est traitée grossièrement au têtu ou à la chasse, formant des creux et des bosses. Finition au réparoir Surface du béton traitée coup après coup au moyen d un charri (ciseau à lame large). La pâte de ciment et le granulat déterminent la coloration. Holcim guide pratique du béton 211

357 7. Bétons pour des applications particulières 7.1 Béton de parement Béton coloré Normalement, le béton coloré est confectionné avec du ciment blanc, coloré à l aide de pigments (fig et ). La coloration peut être soutenue par l emploi d un granulat coloré, mis à jour par un traitement ultérieur de la surface du béton. Les bétons fabriqués avec des ciments gris peuvent également être colorés, mais l effet sera moins pur et lumineux. L intensité de la coloration dépend du dosage et de la qualité des pigments. Pour obtenir la coloration la plus intense possible, il faut doser les pigments jusqu à saturation (teneur en pigments de l ordre de 6 à 10 % en masse de la teneur en ciment). Les pigments sont ajoutés sous forme de granulés, de poudre ou de liquide. Un traitement hydrofuge des surfaces de béton coloré est recommandé. Protection de surface La surface du béton de parement peut être protégée des influences de l environnement (p. ex. intempéries) et des endommagements (p. ex. graffitis) par divers systèmes de protection. Les systèmes de protection de surface courants sont dans la pratique, entre autres, le traitement hydrofuge, l imprégnation transparente et le glacis, le système anti-graffiti. Traitement hydrofuge Le traitement hydrofuge est une imprégnation de la surface du béton destinée à réduire l absorption de l eau et des sels dissous par le béton et le transport de la solution interstitielle des pores chargée en minéraux dissous (hydroxydes de calcium) en surface du béton. La résistance à la diffusion de la vapeur reste quasi inchangée. Les produits hydrofuges pour béton se composent de silanes et de siloxanes, qui pénètrent de quelques millimètres dans les pores du béton, sans les remplir ni former un film à la surface. De ce fait l aspect de la surface n est pas modifié. Normalement il n y a pas de changement de couleur significatif, mais l éclat et la clarté du substrat peuvent être légèrement affectés. Fig : Béton coloré à base de ciment blanc et avec différents pigments. Fig : Caserne des pompiers construit avec un BAP coloré en rouge. Afin de restreindre les efflorescences, une imprégnation hydrofuge est recommandée pour les bétons colorés, notamment les bétons de couleur foncée exposés aux intempéries. Les essais préliminaires sur une surface test sont à prévoir. Le béton jeune ne peut être imprégné qu à un âge supérieur à 28 jours. Imprégnations transparentes et glacis Les imprégnations transparentes et les glacis font également partie des systèmes de protection de la surface du béton. Au contraire du traitement hydrofuge, il se forme un film discontinu à la surface, et les pores ouverts sont partiellement à complètement remplis. L épaisseur de la pellicule varie, selon la quantité appliquée, entre 10 µm et 100 µm. Il ne se forme pas de couche continue comme dans le cas d un revêtement. La protection vis-à-vis de l eau et des gaz est plus forte et plus durable que celle d un traitement hydrofuge. Les efflorescences, l érosion due à l altération et des couvertures biogéniques de la surface du béton (algues, lichens, mousses, etc.) sont en grande partie éliminées. Une imprégnation transparente se compose de dispersion à base d acrylates incolores, applicables en plusieurs couches. Une fois durcie à la surface, elle apparaît comme un film transparent satiné mat. La teinte du substrat se trouve légèrement éclaircie. Pour obtenir un glacis, on ajoute à l imprégnation transparente entre 2 et 8 % de pigments. La surface du béton est colorée selon le degré de pigmentation du glacis. Il est recommandé de procéder à l application d une première couche sans pigment, afin d éviter des accumulations ponctuelles de pigment. 212 Holcim guide pratique du béton

358 Une surface test est à prévoir pour les systèmes de protection. Le béton jeune ne peut pas recevoir une imprégnation transparente ou un glacis avant l âge de 28 jours. Protection anti-graffiti Les graffitis sont des images peintes avec des sprays sur des surfaces de béton. Peints illégalement, ils représentent un endommagement conséquent des façades de bâtiments. A cause de leur composition, ils ne sont pas aisément recouvrables par d autres peintures. Ceci désavantage, tout particulièrement, les bétons de parement. On distingue les systèmes sacrificiels des systèmes non sacrificiels. Fig : Le système antigraffiti dans la partie inférieure du parement influence la teinte de la surface du béton. Les systèmes sacrificiels sont constitués de revêtements, p. ex. à base de cires, permettant un nettoyage facile, par l élimination de la couche sacrificielle qui devra être remplacée. Les systèmes non sacrificiels permanents restent en surface du béton malgré le nettoyage et conservent leur fonctionnalité. Ces systèmes se composent d imprégnations à base de silanes, siloxanes ou polyuréthanes. Les systèmes anti-graffiti modifient en général les propriétés de la surface du béton de parement (fig ). Les effets sur la texture de la surface, la couleur, l éclat, l absorption et la résorption d eau dépendent du substrat du béton et du produit antigraffiti. Il est hautement recommandé de procéder à des essais préliminaires sur des surfaces test et de visiter des ouvrages de référence. Cosmétique du béton Malgré les plus grands soins apportés à la réalisation des constructions en béton de parement, des déviations de la qualité visée peuvent se produire. Les défauts sont souvent éliminés, p. ex. par un nettoyage, un ponçage, un badigeonnage, un enduit, des mastics ou glacis afin de réduire les irrégularités de teinte et de texture. En principe, des essais préliminaires sur des surfaces test sont recommandés. Les zones de réparation peuvent parfois rester visibles, malgré la plus grande habileté de l artisan applicateur. De ce fait, il est important d évaluer si des mesures cosmétiques apportent réellement l effet désiré. Holcim guide pratique du béton 213

359 7. Bétons pour des applications particulières 7. Bétons pour des applications particulières 7.2 Béton à haute résistance 7.2 Béton à haute résistance Introduction Les bétons à haute résistance sont souvent employés pour les piliers élancés dans le bâtiment et les constructions industrielles. La sélection d un ciment et des additions adéquates, d un granulat de haute qualité ainsi que l optimisation générale de la structure du béton et le choix d un rapport E/C très bas, entre environ 0.25 et 0.40, permettent d obtenir de hautes résistances à la compression entre 80 et 130 N/mm 2. La structure du béton très dense, grâce au volume de pores capillaires très faible, conduit à ces hautes résistances à la compression. Des fluidifiants efficaces garantissent, même avec de très faibles teneurs en eau, une bonne ouvrabilité. Les avantages du béton à haute résistance résident dans: leur haute résistance à la compression les dimensions géométriques fortement réduites des éléments de construction la réduction du taux d armature des éléments comprimés En Suisse, le béton à haute résistance, avant tout utilisé dans la préfabrication, permet de réduire nettement les dimensions des éléments de construction et, par conséquent, les coûts de transport des colonnes, des éléments de mur et des poteaux (fig ). La densité accrue de ce béton et donc sa résistance plus élevée aux attaques chimiques et aux sollicitations mécaniques est avantageusement exploitée pour la construction de ponts, des ouvrages de protection et des centrales électriques (fig ). Parfois, on emploie le béton à haute résistance prêt à l emploi pour la confection sur le chantier du béton de piliers ou pour des tabliers précontraints en vue d une réduction de la section des éléments de construction Exigences normatives Spécification Les bétons à haute résistance sont règlementés par la norme SN EN On distingue, pour le béton à haute résistance, des classes de résistance allant de C55/67 jusqu à C100/115 et, pour le béton léger à haute résistance, des classes de résistance LC55/60 à LC80/88. Dans le tableau ne figurent que les bétons à haute résistance de masse volumique normale, étant donné que les bétons légers à haute résistance ne sont généralement Classe de résistance Résistance caractéristique minimale sur cylindres [N/mm 2 ] Résistance caractéristique minimale sur cubes [N/mm 2 ] C55/ C60/ C70/ C80/ C90/ C100/ Tab : Classes de résistance à la compression des bétons à haute résistance selon la norme SN EN Fig : Colonnes ovales pour bâtiment, classe de résistance C80/95. Fig : Eléments de ponts, classe de résistance C80/ Holcim guide pratique du béton

360 pas fabriqués en Suisse. Les explications suivantes se réfèrent donc uniquement aux bétons à haute résistance de masse volumique normale. Contrôle de conformité La norme SN EN contient, dans son annexe informative H, des «dispositions supplémentaires relatives aux bétons à haute résistance». Elle fournit des indications quant à la surveillance adéquate des composants, des équipements et des procédures de production. Les mêmes règles de surveillance et de contrôle que pour les bétons de résistance normale s appliquent. Par contre, la constitution de familles de béton n est pas admise (voir chapitre 2.2.2). Fig : Surface de rupture du béton à résistance normale (en haut) et du béton à haute résistance (en bas) Technologie du béton Ciment Parmi les ciments admis par la norme, ceux de la classe de résistance 52,5 N et R sont majoritairement utilisés pour le béton à haute résistance. Les teneurs en ciment se situent généralement entre 380 kg/m 3 et 450 kg/m 3 pour les bétons vibrés avec un diamètre maximal du granulat de 16 mm. A cause du faible dosage en eau, une partie significative du ciment ne s hydrate pas et constitue un filler chimiquement réactif dans le béton. Eau de gâchage L utilisation de l eau recyclée pour la confection du béton à haute résistance n est pas recommandée, puisque les matières solides et les résidus des adjuvants peuvent influencer la demande en eau et donc la consistance. Si l eau recyclée n a pas de densité significativement accrue et variable, il est possible que son emploi reste sans effet négatif. Granulat Habituellement, le béton de résistance normale montre en compression une rupture sous l effet de la traction transversale le long de la zone de contact entre le granulat et la pâte de ciment ou au sein de la pâte de ciment. Dans le cas du béton à haute résistance, celle-ci est renforcée grâce à la densification de cette zone de contact entre le granulat et la pâte de ciment, par un rapport E/C bas et une faible porosité capillaire (voir chapitre 2.1.3). Ceci vaut autant pour le granulat rond que le granulat concassé et se manifeste dans les surfaces de rupture des bétons à haute résistance. La rupture ne suit pas la zone de contact, mais fracture le granulat (fig ). Pour les classes de résistance supérieure à C80/95, l emploi de granulats de roche dure est recommandé pour les classes granulaires 4 mm. Il s agit des calcaires siliceux, des grès siliceux, des calcaires micritiques, des roches cristallines finement grenues et certaines roches vertes. Le diamètre maximal du granulat est, en règle générale, limité à 16 mm (pour les gravillons concassés à 22 mm). En cas de forts taux d armature, le diamètre maximal du granulat peut être réduit à 8 mm et pour le granulat concassé à 11 mm. Adjuvants Pour assurer une bonne ouvrabilité malgré la faible teneur en eau, on fait appel à des fluidifiants à haute performance, p. ex. aux polycarboxylates. Dans la préfabrication des bétons à haute résistance, ces fluidifiants ont en plus un effet accélérateur afin de rendre possible un décoffrage rapide et un traitement de surface (lissage des surfaces non coffrées). La demande en eau d un granulat dépend essentiellement du sable. Pour assurer le dosage en eau restreint du béton à haute résistance, le sable présentera de préférence une granularité continue et une faible teneur en fines, ainsi qu une haute régularité. Il vaut mieux renoncer à l emploi d un sable concassé. La teneur en éléments impropres du granulat doit être limitée à 3 % en masse. Holcim guide pratique du béton 215

361 7. Bétons pour des applications particulières 7.2 Béton à haute résistance Additions Les additions inertes ne se prêtent pas à la confection de béton à haute résistance, en raison de leur forte demande en eau. Parmi les additions réactives, on se sert surtout de la fumée de silice et de la cendre volante. A partir d une classe de résistance C70/85, la fumée de silice est additionnée au béton à haute résistance. Elle densifie la microstructure de la pâte de ciment, notamment la zone de contact entre le granulat et la pâte de ciment (voir chapitre 2.1.3). Le dosage de la fumée de silice, sous forme de poudre, présente des inconvénients à cause de sa finesse et sa tendance à former des agglomérats sensibles à la RAG (voir chapitre 6.4). De ce fait, il est préférable d utiliser un ciment composé contenant de la fumée de silice (p. ex. Fortico 5R). La mouture conjointe de la fumée de silice et du clinker assure un dosage régulier, une distribution homogène et une dispersion efficace de la fumée de silice. Cure Indépendamment des classes d exposition, le choix de la classe de cure NBK 3 s impose au minimum pour le béton à haute résistance. Les mesures de protection doivent commencer immédiatement après la finition de la surface, puisqu il existe un risque accru de perte d eau excessive dans la zone de surface de ce béton à très faible teneur en eau. Les éléments de construction de grande superficie peuvent être protégés contre la dessiccation à l aide d un géotextile humide, lui-même recouvert d un film plastique. Les éléments massifs doivent être protégés à la fois contre une dessiccation et un refroidissement trop brusque, afin de limiter le risque de fissuration résultant de contraintes thermiques (fig ). La protection par les films plastiques sera complétée par des nattes isolantes. Le béton des éléments coffrés sera protégé par le coffrage. La cendre volante peut se substituer avantageusement au ciment à cause de sa faible demande en eau pour les bétons autoplaçants à haute résistance. L emploi des cendres volantes est aussi judicieux pour la production de bétons à haute résistance et à faible chaleur d hydratation. Production Puisque le sable contient le plus d humidité, sa teneur en eau doit être surveillée exactement et prise en compte avec celle des gravillons pour le dosage de l eau de gâchage. A cause des faibles teneurs en eau et des temps de dispersion plus longs des adjuvants, une durée de malaxage légèrement allongée est recommandée, c.-à-d. selon l intensité du malaxage, au moins 90 secondes, celle du béton autoplaçant sera au moins de 120 secondes. Consistance transport mise en place Le béton à haute résistance est normalement produit dans les centrales à béton avec une consistance ferme à plastique, de la classe de consistance C3, et présente un comportement nettement plus thixotrope que le béton à résistance normale. Il nécessite, ainsi, de plus grands efforts pour la mise en place, la répartition et le compactage (durée de compactage doublée). S il faut pomper le béton à haute résistance, notamment un béton riche en granulat concassé, la puissance de pompage se trouve sensiblement réduite. Le cas échéant, la capacité de pompage peut être diminuée de moitié. D habitude, le béton à haute résistance pour la préfabrication est confectionné en tant que béton autoplaçant, afin de minimiser les efforts de mise en place et de compactage. Fig : Béton à haute résistance de la classe de résistance à la compression C80/95. Blocs massifs en béton protégés par des nattes isolantes pendant la durée de cure (en haut) et déballés avant leur emploi comme rochers artificiels pour tester des filets de protection contre les chutes de pierres (en bas). Le béton à haute résistance doit être transporté dans des camions malaxeurs. Ces derniers seront contrôlés avant leur chargement afin d éviter un mélange avec des restes d eau de lavage. Le béton à haute résistance sera malaxé encore une fois pendant au moins 2 minutes avant son déchargement sur le chantier. 216 Holcim guide pratique du béton

362 7.2.4 Recommandations pour la planification du béton à haute résistance Dimensionnement La norme SIA 262 définit les bases de dimensionnement des constructions en béton qui s appliquent également au béton à haute résistance. Le béton à haute résistance possède non seulement une haute résistance à la compression, mais aussi une résistance à la traction et un module Béton à résistance normale de la classe de résistance à la compression C25/30 d élasticité plus élevés. Les valeurs indicatives sont données par la norme SN EN (Eurocode 2). Le tableau résume les valeurs les plus importantes. Les valeurs de calcul du module d élasticité indiquées au tableau valent pour les bétons à haute résistance confectionnés avec des granulats alluviaux. Ces valeurs seront à adapter en fonction du granulat employé. La fig illustre schématiquement le dimensionnement d une pile en béton à haute résistance et en béton à résistance normale. Le béton à haute résistance permet la réduction des dimensions géométriques ou de l armature longitudinale. h = 0.72m h' = 0.65m (hauteur statique) Retrait et fluage L évolution du comportement à la déformation au cours du temps du béton à haute résistance est influencée par sa porosité réduite, son module d élasticité et sa densité plus élevés. Les changements majeurs observés en comparaison avec le béton à résistance normale sont: h = 0.54 m b = 0.72 m armature longitudinale étrier 12, s 1 = 125 mm Béton à haute résistance de la classe de résistance à la compression C70/85 b = 0.54 m armature longitudinale étrier 12, s 1 = 90 mm h' = 0.47m (hauteur statique) Fig : Section d une pile en béton à haute résistance et à résistance normale. le retrait endogène est nettement plus élevé le retrait de dessiccation diminue clairement lorsque la résistance augmente le retrait dû au fluage diminue lorsque la résistance augmente et atteint sa valeur finale plus rapidement A cause de son retrait endogène élevé au début, le retrait spécifique du béton à haute résistance est plus important que celui du béton à résistance normale. Mais en raison de son retrait de dessiccation plus faible, il en résulte finalement une valeur ultime de retrait plus petite que celui du béton à résistance normale (voir chapitre 3.8.4). La montée en résistance nettement plus rapide du béton à haute résistance conduit également à un développement rapide de la chaleur d hydratation. Les éléments de construction, entravés dans leur déformation, subissent alors au jeune âge des contraintes imposées dues à la chaleur d hydratation surmontées par le retrait endogène. Le risque de fissuration est donc plus élevé au jeune âge pour le béton à haute résistance que pour le béton à résistance normale. Classe de résistance à la compression Valeur moyenne de la résistance à la compression sur cylindres f cm [N/mm 2 ] Valeur moyenne de la résistance à la traction uniaxiale centrée f ctm [N/mm 2 ] Valeur de calcul pour le module d élasticité E cm [N/mm 2 ] C55/ Tab : Propriétés mécaniques des bétons à haute résistance. C60/ C70/ C80/ C90/ Expression analytique Eq Eq Eq avec k E = Holcim guide pratique du béton 217

363 7. Bétons pour des applications particulières 7.2 Béton à haute résistance Fig : Elément de voussoir ou de cuvelage en béton à haute résistance sans fibres PP après l essai au feu. (Source: Gesellschaft für Materialforschung und Prüfungsanstalt für das Bauwesen, Leipzig GmbH). Fig : Elément de voussoir ou de cuvelage en béton à haute résistance avec fibres PP après l essai au feu. (Source: Gesellschaft für Materialforschung und Prüfanstalt für das Bauwese, Leipzig GmbH). Résistance au feu Le comportement au feu des bétons à haute résistance se distingue de celui d un béton à résistance normale. Les essais au feu révèlent la tendance à l éclatement des bétons à haute résistance. La raison de ce comportement réside dans la structure plus dense freinant la diffusion de la vapeur d eau. Au-dessus d une température de 100 C, l eau liée chimiquement et physiquement est libérée et s évapore. La pression de la vapeur d eau provoque de fortes contraintes de traction dans l élément de construction, qui conduisent aux éclatements. De ce fait, la norme SIA 262 recommande l ajout de fibres polypropylènes (PP) comme mesure particulière. En fondant à une température d environ 170 C, les fibres PP créent des canaux de décompression de la vapeur d eau dans la structure du béton et préviennent efficacement les éclatements. A cet effet, il faut déterminer le type de fibres adéquat et le dosage nécessaire pour chaque béton à haute résistance (fig et 7.2.7). L efficacité de cette mesure particulière (utilisation des fibres PP) doit être contrôlée au moyen d essais au feu. Si le dimensionnement suit la norme SN EN (Eurocode 2), d autres mesures constructives peuvent être appliquées au lieu de l utilisation des fibres PP pour éviter les éclatements du béton d enrobage, la rupture par perte de l adhérence de l armature au béton ou encore le fléchissement de l armature de compression. Il est possible d augmenter l épaisseur d enrobage, d appliquer un mortier coupe-feu ou d ajouter une armature supplémentaire au béton d enrobage. Ces mesures sont parfois difficiles à mettre en pratique et, par conséquent, moins usuelles que l ajout de fibre PP. Composition du béton La composition des bétons à haute résistance varie en fonction des propriétés visées du béton frais et durci (autoplaçant, élément en béton de parement, etc.). Le tableau fournit quelques formulations typiques de béton vibré, autoplaçant et à faible chaleur d hydratation, tous à haute résistance. Béton à haute résistance C55/67 Béton à haute résistance C80/95 BAP Béton à haute résistance C95/105 Masse vol. [kg/dm 3 ] Proportion [% en masse] Dosage [kg/m 3 ] Volume [l/m 3 ] Proportion [% en masse] Dosage [kg/m 3 ] Volume [l/m 3 ] Proportion [% en masse] Dosage [kg/m 3 ] Volume [l/m 3 ] Ciment CEM I 52,5 R (Normo 5R) CEM II/A-D 52,5 R (Fortico 5R) Addition cendre volante Granulat sable 0/4 gravier roulé 4/8 gravier roulé 8/16 gravillon concassé 4/8 gravillon concassé 8/ Eau Air Adjuvant fluidifiant dosage selon besoin (1 2 % de la masse de ciment) Masse volumique et volume du béton frais Rapport E/C, resp. E/C éq Tab : Exemples de formulations de bétons à haute résistance de différentes classes de résistance à la compression. 218 Holcim guide pratique du béton

364 7.3 Béton fibré à ultra-hautes performances Introduction Le béton fibré à ultra-hautes performances (BFUP), aussi appelé ultra high performance concrete (UHPC), est un béton qui se démarque nettement des bétons courants et à haute résistance par sa composition, sa teneur en fibres, son rapport E/C et ses propriétés. Une de ses caractéristiques est sa résistance à la compression extraordinaire, dépassant 150 N/mm 2 et son rapport E/C extrêmement bas, inférieur à L addition de fibres métalliques en grande quantité, de l ordre de 1 à 5 % vol., confère à la matrice cimentaire une excellente ductilité en traction (voir chapitre 5.4). Ce comportement ductile résulte d une capacité élevée de déformation plastique. Au contraire des matériaux à comportement fragile, la rupture des matériaux ductiles est précédée de grandes déformations annonciatrices. En plus de ses propriétés mécaniques particulières, le BFUP présente une excellente durabilité. de la résistance des tabliers de ponts ou des dalles de bâtiments) ou pour la remise en état et le renforcement (p. ex. étanchéité, parapets, blocs d ancrage). Les propriétés caractéristiques du BFUP sont entre autres: comportement en traction, défini par la résistance à la traction f Ut, la résistance limite élastique à la traction f Ute, le comportement écrouissant ε Utu et le comportement adoucissant (énergie de rupture spécifique G FU, ouverture maximale de fissure w Ut,max ) résistance à la compression f Uc module d élasticité E U coefficient de Poisson ν U coefficient de dilatation thermique α U retrait spécifique ε Us coefficient de fluage φ U(t,t0) Les sortes de BFUP sont spécifiées en fonction de leurs différentes propriétés, dont le comportement à la traction du BFUP constitue la base du classement (tab ) Exigences normatives Les données du tableau permettent de comparer les propriétés mécaniques et la composition du BFUP avec celles d autres bétons, ainsi que les normes applicables. A cause de sa composition et ses propriétés particulières, le BFUP se situe hors du domaine de validité des normes SN EN et SIA 262. Le dimensionnement et l exécution du BFUP sont réglés par le cahier technique SIA 2052 (en préparation). Spécification Une distinction est faite entre le BFUP utilisé pour la construction (p. ex. pour l augmentation de la rigidité ou Sorte U0 UA UB f Utem [MPa] f Utum / f Utem > 1.2 ε Utum [ ] f Ute,m / E Utm > 1.0 > 2.0 G FU [kj/m 2 ] > 8.0 f Utem valeur moyenne de la limite élastique de la résistance à la traction du BFUP (valeur de contrainte atteinte à la limite d élasticité du BFUP sous traction uniaxiale) f Utum valeur moyenne de la résistance à la traction du BFUP ε Utum déformation d écrouissage moyenne du BFUP lorsque la résistance à la traction est atteinte énergie spécifique de rupture du BFUP (valeur moyenne) G FU Tab : Sortes de BFUP. Type de béton Propriétés mécaniques D max [mm] Rapport E/C Normes Béton classes de résistance jusqu à C50/ SN EN 206-1, SIA 262 Tab : Types de béton avec leurs références normatives. Béton à haute résistance classes de résistance C 55/67 jusqu à C100/ SN EN 206-1, SIA 262 Béton fibré à ultra-hautes performances résistance à la compression > 150 N/mm 2, haute résistance à la traction et capacité de déformation cahier technique SIA 2052 (en préparation) Holcim guide pratique du béton 219

365 7. Bétons pour des applications particulières 7.3 Béton fibré à ultra-hautes performances 7. Bétons pour des applications particulières 7.3 Béton fibré à ultra-hautes performances Des exigences complémentaires spécifiées en fonction de l application du BFUP sont possibles, concernant: la résistance à la compression le module d élasticité la résistance à l abrasion l aptitude à une mise en place en pente du BFUP frais et autoplaçant Technologie du béton Généralités Les propriétés spécifiques du BFUP, en particulier sa haute résistance à la compression et à la traction ainsi qu une excellente durabilité, reposent sur les principes suivants de la technologie du béton: Optimisation du squelette granulaire au niveau des particules les plus fines La granularité est élargie dans les classes granulaires très fines par l utilisation de la fumée de silice, permettant de remplir les interstices les plus petits. La substitution simultanée des granulats grossiers par une sélection de sables fins de quartz conduit à une très haute densité de compactage et une microstructure homogène (fig ). Tandis que dans un béton à résistance normale le granulat occupe le plus grand volume, le volume de la pâte de ciment domine dans un BFUP. La grande proportion de pâte de ciment empêche la formation d un squelette granulaire rigide. Les déformations, comme le retrait, qui n affectent que la pâte de ciment seront ainsi moins entravées de manière à éviter des microfissures de la pâte de ciment. Réduction du rapport E/C Bien que le BFUP présente une quantité d eau de gâchage similaire à celle des bétons courants ou à haute résistance, sa teneur en ciment est nettement supérieure. Il en résulte un rapport E/C beaucoup plus bas, en règle générale inférieur à La taille moyenne des pores du BFUP est fortement réduite et les pores ne forment pas un réseau interconnecté. De par le très faible rapport E/C, une partie des grains de ciment ne s hydrate pas et demeure comme filler chimiquement réactif dans le béton et constitue une réserve d hydratation. Armature de fibres synthétiques ou métalliques L armature de fibres avec un fort dosage (1 à 5 % vol.) confère à la matrice cimentaire une haute ductilité et résistance résiduelle post-fissuration. La répartition homogène des fibres permet d armer efficacement toute la section de l élément de construction, du centre jusqu à la surface (fig ). L efficacité des fibres dans le BFUP dépend du matériau, du dosage, de la géométrie, de la répartition et l orientation des fibres. En raison de leurs forts dosages, les fibres ont une influence déterminante sur le comportement mécanique du BFUP. Ciment Pour la confection du BFUP, les compositions de béton à base de ciment Portland (CEM I) à faible teneur en alcalins, de ciment Portland composé (CEM II) et de ciment au laitier (CEM III) de toutes les classes de résistance ont été éprouvées dans la pratique. L utilisation de ciment au laitier (CEM III/B) à faible teneur en clinker a une répercussion avantageuse sur le bilan CO 2 du BFUP. Fig : Composants principaux du BFUP de gauche à droite: fumée de silice, ciment, sable de quartz. Fig : Comparaison des volumes de fibres courantes: à gauche BFUP avec env. 300 kg/m 3 de fibres (3.8 % vol.); à droite béton renforcé aux fibres métalliques avec env. 35 kg/m 3 de fibres. 220 Holcim guide pratique du béton

366 Granulat En règle générale, les sables et farines de quartz utilisés présentent des courbes granulométriques spécifiques, p. ex. avec une granularité discontinue, afin d augmenter la densité de compactage. Selon les exigences et performances visées, le diamètre maximal des sables sera inférieur à 2 mm. La forme des grains influence la consistance et la demande en eau. Il est avantageux d utiliser des sables séchés, dont la granularité est soumise à un contrôle de qualité sévère. Adjuvants Les fluidifiants hautement efficaces et fortement dosés sont nécessaires pour garantir la miscibilité des composants malgré le rapport E/C inférieur à Généralement, il s agit de produits à base de polycarboxylates adaptés de manière optimale au ciment choisi. Additions La fumée de silice est très répandue en tant qu addition au BFUP. De par sa réaction pouzzolanique, la fumée de silice contribue à la densification de la microstructure par ses produits de réaction supplémentaires, renforçant les résistances mécaniques et l adhérence entre la pâte de ciment, les fibres et le granulat. Consistance Le BFUP peut être produit avec des consistances variables. Pour les éléments coffrés, on choisira un BFUP fluide, autoplaçant avec un étalement au cône d Abrams d environ 800 mm (fig ). La consistance est caractérisée par une haute viscosité, de façon à ce que l étalement ne soit atteint qu au bout d une minute environ. Similaire au béton autoplaçant (chapitre 4.3), la pâte de ciment doit pouvoir maintenir les fibres en suspension. Le dégazage et le compactage ont lieu pendant l écoulement sous l effet de la gravité. Les variantes BFUP fluides contenant jusqu à 2 % vol. de fibres métalliques peuvent être pompées avec des pompes pour mortier. Pour les applications en pente, p. ex. des couches de protection de ponts, il existe des types de BFUP qui peuvent être mis en place selon l épaisseur de couche jusqu à une pente de 8 % (fig ). Il faut alors veiller à une adaptation très précise du dosage de l eau et des fluidifiants. Fig : BFUP fluide (en haut), BFUP apte au bétonnage en pente jusqu à 8 % (en bas). Lors de l utilisation des fibres métalliques, un diamètre des fibres entre 0.10 et 0.15 mm et un élancement des fibres entre 40 et 80 (rapport longueur-diamètre) se sont avérés être un bon compromis entre l ouvrabilité et l efficacité. On emploie également des fibres d alcool polyvinylique (PVA) pour la construction d éléments auxquels se posent peu d exigences relatives aux propriétés mécaniques. Production Le BFUP est produit soit comme prémix industriel (p. ex. Holcim 707 et 710) soit comme béton prêt à l emploi dans une centrale à béton. La production en centrale n est en général seulement possible que pour des BFUP à consistance fluide ou de courtes durées de transport. L ordre d introduction suivant dans le mélange a été confirmé dans la pratique: la première moitié de tous les composants pulvérulents eau de gâchage avec le fluidifiant l autre moitié des composants en poudre fibres. Le dosage de l eau et des fluidifiants doit être très précis. L expérience montre que la plupart des malaxeurs sont aptes à la production de BFUP. A cause du grand élancement et le fort dosage des fibres, il faut veiller à leur bonne séparation et répartition homogène dans le béton frais. La durée de malaxage dépend du type de malaxeur, de la charge, de l ajout de fibres, et se situe entre 10 à 20 minutes. Holcim guide pratique du béton 221

367 7. Bétons pour des applications particulières 7.3 Béton fibré à ultra-hautes performances Mise en place et compactage Le BFUP fluide est rempli dans le coffrage et se répartit sous l effet de la gravité. Les vibreurs de coffrage facilitent le flux dans les coffrages étroits, mais il faut prendre garde à ce qu il n y ait aucune ségrégation de la matrice cimentaire et des fibres. En cas d interruption des travaux, les joints de bétonnage doivent être soigneusement mélangés afin d assurer une continuité satisfaisante. Les exigences relatives au coffrage sont très élevées. A cause de sa grande fluidité, le coffrage doit être particulièrement étanche. La pression exercée par le béton frais sur le coffrage correspond à la répartition de la poussée hydrostatique. A cause de la grande finesse des constituants et la fluidité du béton frais, la texture de la peau de coffrage s imprime précisément sur la surface du béton. Le BFUP thixotrope en couche mince pour des applications horizontale de grande superficie peut être travaillé à l aide d une règle vibrante. Cure La cure acquiert une signification particulière à cause du rapport E/C très bas du BFUP. Toute perte d eau est absolument à éviter. Le BFUP doit être recouvert immédiatement après sa mise en place par un film plastique et protégé des intempéries (vent, pluie, soleil, froid). Une cure thermique (apport contrôlé de chaleur et d humidité) permet d augmenter la résistance et de stabiliser le retrait en peu de temps. Sécurité Les fibres métalliques employées pour la confection du BFUP présentent un risque notable de blessures de la peau et des yeux. Il est nécessaire de prendre des mesures adéquates de protection. En outre les mêmes consignes de sécurité que celles pour le travail avec du ciment et la fumée de silice sont à respecter. La mise en place des couches de BFUP sur un support en béton exige une préparation méticuleuse de la surface de contact (fig et 7.3.5). Elle nécessite l élimination de la peau de ciment et des substances affaiblissant la liaison (graisse, huile, etc.), et doit atteindre une rugosité minimale avec des différences de niveau de l ordre de 5 mm pour un espacement de 10 à 15 mm. Le support doit être saturé d eau au préalable. On respectera les mêmes consignes valables pour la remise en état du béton à l aide de produits à base de liants hydrauliques. Fig : Mise en place d une couche de BFUP à la fois comme renforcement et étanchéité d un pont. Fig : Finition d une couche de BFUP à l aide d une règle vibrante. 222 Holcim guide pratique du béton

368 7.3.4 Recommandations pour la planification des bétons fibrés à ultra-hautes performances Domaines d application Le BFUP peut être utilisé, pour les nouvelles constructions ou en relation avec des constructions en béton déjà existantes, pour la protection et le renforcement. Il permet de minimiser les dimensions des sections et le poids propre. La figure illustre des sections de poutre de même résistance. Grâce au BFUP, il est possible d atteindre, pour des poids propres comparables, des dimensions similaires à celles des poutres en aciers. Dans ce cas, la combinaison du BFUP avec une armature précontrainte dans le sens porteur est judicieuse. Pour le renforcement d éléments de construction en béton armé, une couche mince de BFUP ou, en cas d exigences élevées, de BFUP armé est appliquée (fig ). En principe, il est judicieux d utiliser le BFUP de manière ciblée pour les parties d ouvrage fortement exposées, nécessitant des propriétés mécaniques particulières et une durabilité élevée. En règle générale, il n est pas nécessaire de recourir à des moyens d assemblages mécaniques entre la couche de BFUP et le support en béton armé. BFUP acier béton armé Couche de BFUP, 30mm béton armé Couche de BFUP armé, 50 80mm béton armé Fig : Sections transversales de poutres de même résistance conçues avec divers matériaux. Fig : Le BFUP comme couche de protection et de renforcement des éléments de construction en béton. Comportement en traction Grâce à l armature de fibres, le BFUP atteint une résistance à la traction qui dépasse nettement celle d un béton à résistance normale. Elle peut être prise en compte dans le calcul statique. Le comportement du BFUP en traction directe présente trois phases élastique, écrouissant et adoucissant (fig ): comportement élastique: augmentation linéaire de la déformation lorsque la contrainte monte, retour complet de la déformation lors de la décharge. comportement écrouissant: accroissement de la déformation par une augmentation de la contrainte de traction, accompagné de la formation de fissures finement dispersées et de faible ouverture (microfissures) et une déformation irréversible après la décharge. Le comportement écrouissant se manifeste seulement si la teneur en fibres est suffisante pour que les fibres puissent absorber complètement les contraintes. Si les teneurs en fibres sont insuffisantes aucun écrouissement a lieu et la phase de comportement adoucissant suit directement la phase de comportement élastique. Comportement adoucissant: baisse des contraintes de traction et augmentation des déformations se concentrant dans une fissure qui s ouvre progressivement avec l arrachement des fibres de la matrice cimentaire. Les contraintes de traction diminuent jusqu à la séparation complète des deux flancs de la fissure. L ouverture maximale de la fissure correspond environ à la moitié de la longueur des fibres. Contrainte de traction [N/mm 2 ] 7 10 N/mm 2 ΔI I 7 12 N/mm 2 BFUP w Fig : Illustration schématique du comportement en traction du BFUP avec 4 % vol. de fibres métalliques. élastique écrouissant adoucissant Béton C 30/37 ΔI Aucune fissuration Micro-fissuration répartie 2 Micro-fissure localisée ( w max l f /2) Déformation (ε = ΔI/I) Ouverture de fissure (w) Holcim guide pratique du béton 223

369 7. Bétons pour des applications particulières 7.3 Béton fibré à ultra-hautes performances Retrait et fluage A cause de sa teneur élevée en ciment et son faible rapport E/C, le BFUP peut atteindre un retrait spécifique relativement élevé jusqu à 1. Le retrait correspond presque entièrement au retrait endogène. Le fluage, appelé aussi la capacité de relaxation du BFUP, est également plus élevé que celui du béton à résistance normale. Les contraintes issues des déformations entravées de retrait sont en partie relaxées par le fluage. La combinaison de sa haute résistance à la traction et de sa capacité de déformation (comportement écrouissant), dû à son armature en fibres, permet au BFUP de rester sans fissure et durable même sous un haut degré d entrave. Ceci est d une importance particulière dans le cas d une application du BFUP comme couche de protection ou de renforcement d un élément de construction existant (fig ). ou de choc sont bien tolérées grâce à la structure dense et la grande ductilité des fibres métalliques. Le contrôle de la fissuration et des ouvertures des fissures par l armature de fibres contribue également à la durabilité. Résistance au feu Les mêmes remarques concernant la résistance au feu du béton à haute résistance s appliquent au BFUP (voir chapitre 7.2). Durabilité La structure dense du BFUP offre une très haute résistance à la pénétration de gaz et de fluides. Il en résulte une excellente résistance à la carbonatation, aux chlorures, aux sulfates et au gel en présence de sels de déverglaçage. La durabilité chimique vis-à-vis des attaques acides est élevée. L armature et les fibres métalliques sont protégées malgré des épaisseurs d enrobage plus faibles que celles du béton courant. L enrobage de l armature du BFUP armé atteint une épaisseur de 10 mm dans les surfaces coffrées et 15 mm dans les surfaces non coffrées. La corrosion des fibres métalliques proches de la surface présente éventuellement un problème esthétique, mais n a pas d effet sur la durabilité. Les sollicitations d abrasion Fig : Passage de ruisseau préfabriqué dont la face supérieure possède une couche de protection en BFUP. Fig : Arrêt de bus en BFUP. 224 Holcim guide pratique du béton

370 7.4 Béton pour parois moulées et pieux forés Introduction Les pieux forés et parois moulées appartiennent aux éléments de construction les plus importants dans les fondations et ouvrages géotechniques. Les pieux permettent le transfert des charges des structures vers des horizons porteurs plus profonds du terrain. Les pieux forés et parois moulées servent aussi au soutènement de grandes fouilles. Ils peuvent être préfabriqués ou réalisés en béton coulé en place. Les pieux préfabriqués sont mis en œuvre comme pieux foncés par battage dans le sol. Fig : Excavation d une tranchée pour une paroi moulée. (Source: BAUER Spezialtiefbau GmbH, Schrobenhausen). Pieux forés Pour la réalisation des pieux forés en béton coulé en place, un forage est réalisé dans le sol jusque dans les couches de terrain ou de rochers suffisamment porteuses. En règle générale, les parois du forage sont blindées par un tube, afin d éviter que les couches environnantes se relâchent et s effondrent. La cage d armature est placée dans le forage qui sera rempli avec le béton et dont le tubage sera le cas échéant enlevé à la fin (fig ). câble tiges de forage téléscopiques tirer le tube béton de grue ou pompé 1 excavation du sol 2 mise en place de la cage d armature 3 bétonnage 4 pieu terminé Fig : Réalisation d un pieu foré avec un tube provisoire. horizon instable horizon porteur Holcim guide pratique du béton 225

371 7. Bétons pour des applications particulières 7.4 Béton pour parois moulées et pieux forés 7. Bétons pour des applications particulières 7.4 Béton pour parois moulées et pieux forés Fig : Types de parois de pieux forés, vue d en haut et de face. Paroi réalisée avec des pieux sécants Paroi réalisée avec des pieux contigus Paroi réalisée avec des pieux espacés Paroi réalisée avec des pieux Ce type de paroi se compose de plusieurs pieux forés en série, dont la disposition dépend des exigences posées. On distingue trois types de parois (fig ): paroi réalisée avec des pieux sécants paroi réalisée avec des pieux contigus paroi réalisée avec des pieux espacés Dans la pratique, les parois étanches de pieux forés sont obtenues par le recoupement des pieux entre eux. Dans une première phase, les pieux, appelé pieux primaires, sont réalisés avec un certain espacement. Ils sont ensuite recoupés par des pieux secondaires qui sont armés avant le bétonnage. La paroi de pieux contigus est réalisée avec des pieux jointifs. La paroi de pieux espacés ne comporte que le nombre de pieux armés nécessaire du point de vue statique. Les espaces entre les pieux sont obturés soit avec du béton coulé en place, du béton projeté ou le terrain affleurant. Paroi moulée Les parois moulées sont exécutées avec des procédés en une ou deux phases. Les parois moulées en coulis sont constituées d un coulis autodurcissant qui est utilisé comme fluide d excavation. La paroi moulée en béton classique est réalisée en deux phases (fig ). Dans une première étape, la tranchée est excavée et soutenue par un fluide d excavation (p. ex. suspension de bentonite). La deuxième étape consiste à la mise en place de la cage d armature et au remplissage, avec le béton refoulant, le fluide d excavation sera récupéré pour être traité et réutilisé. Les pieux forés et des parois moulées peuvent traverser des couches de terrain sèches ou aquifères, ou contenant des substances chimiquement agressives pour le béton. Puisque le compactage n est pas possible en profondeur, ce béton est la plupart du temps confectionné avec une consistance fluide. Des exigences particulières existent pour les bétons pour pieux forés et parois moulées relatives à leur composition, afin qu ils conservent leur fluidité sans ségrégation pendant la mise en place, tout en atteignant la durabilité visée. Fig : Réalisation d une paroi moulée en deux phases. Benne d excavation Récupération de la suspension de bentonite Suspension de bentonite moule provisoire Phase 1: Excavation. Phase 2: Mise en place de la cage d armature et du béton. 226 Holcim guide pratique du béton

372 7.4.2 Exigences normatives Les exigences à l égard des bétons pour pieux forés et parois moulées sont définies dans la norme SN EN Les bétons coulés en place pour pieux forés et parois moulées sont classés en quatre sortes, c.-à-d. pour des sollicitations élevées (P1 et P2) et des sollicitations normales (P3 et P4), sans qu une classe d exposition soit définie. Elles se distinguent en fonction des conditions de mise en place, au sec ou sous l eau, au niveau des exigences minimales relatives à la composition et aux essais de durabilité. En plus, les normes SN EN 1536 «Exécution des travaux géotechniques spéciaux Pieux forés» et SN EN 1538 «Exécution des travaux géotechniques spéciaux Parois moulées» s appliquent. Les bétons pour pieux forés et parois moulées sont confectionnés habituellement dans les classes de résistance C 20/25 à C 30/37. Les exigences de durabilité, p. ex. la résistance à la RAG ou aux sulfates, doivent être spécifiées en fonction des particularités du projet. Une attaque par sulfates paraît peu probable pour la classe P1. Les détails concernant les bétons résistants à la RAG ou aux sulfates figurent au chapitre 6.4, respectivement 6.3. Le tableau fournit les exigences de base et complémentaires, ainsi que les exigences minimales relatives à la composition. Les exigences à l égard de la composition des bétons pour pieux forés et parois moulées tiennent compte des conditions particulières de leur mise en place. Ainsi, les sortes de béton P2 et P4 doivent avoir une teneur en ciment plus élevée et une consistance fluide afin d assurer une mise en place stable et sans ségrégation sous l eau. Du fait de sa fluidité, il est préférable de mesurer la consistance du béton par des essais et mesures à l étalement. Les classes de la résistance à la compression sont relativement basses, parce que le béton ne peut être compacté. Les valeurs indicatives de la teneur en farines et la teneur minimale en ciment plus élevée proviennent des conditions particulières de mise en place. Désignation des bétons pour pieux forés et parois moulées Exigences de base P1 au sec (NPK H) Fortes sollicitations P2 sous l eau (NPK I) P3 au sec (NPK K) Sollicitations normales P4 sous l eau (NPK L) Classe de résistance à la compression minimale Classe d exposition C25/30 C20/25 sans indication de classes d exposition afin d éviter des malentendus Diamètre maximal du granulat D max 32 Classe de chlorure CI 0.10 Classe de consistance F4 (trés molle) F5 (fluide) F4 (trés molle) F5 (fluide) Exigences complémentaires Résistance au gel/dégel en présence de sels de déverglaçage (p. ex. pour des pieux affleurant) évt. moyenne néant Résistance à la RAG selon cahier technique SIA 2042 Résistance aux sulfates pas d attaque de sulfates spécifique au projet néant Exigences minimales relatives à la composition Rapport E/C maximal Dosage minimal en ciment [kg/m 3 ] Granulat selon SN EN Valeurs indicatives pour la teneur en farines [kg/m 3 ] D max > 8 mm D max 8 mm Types de ciment admis selon sortes de béton D (T1) et E (T2) selon sortes de béton C à G Tab : Exigences de base et complémentaires relatives aux bétons pour pieux forés et parois moulées de la norme SN EN Holcim guide pratique du béton 227

373 7. Bétons pour des applications particulières 7.4 Béton pour parois moulées et pieux forés Technologie du béton Généralités Outre le respect des exigences normatives, un béton pour pieux forés et parois moulées doit présenter les propriétés déterminantes suivantes: bonne aptitude à l écoulement haute stabilité et résistance à la ségrégation durée d ouvrabilité suffisamment longue pour la mise en place et le cas échéant l enlèvement des colonnes de bétonnage Ces propriétés assurent l enrobage de l armature et la formation d une structure dense de béton même en absence de compactage. Ciment Pour les bétons pour pieux forés et parois moulées tous les ciments sont admis selon la norme SN EN 206-1, sauf le CEM II/B-LL et le CEM III/A. Les ciments Portland composés se prêtent particulièrement bien à cause de leur haut pouvoir de rétention d eau qui confère au béton frais une haute stabilité. Le choix du ciment dépend du mode de mise en place du béton. Les pieux préfabriqués sont généralement confectionnés avec un ciment à haute résistance au jeune âge permettant un décoffrage rapide. Par contre pour les bétons coulés en place, un début de prise normal et une montée moyenne en résistance seront préférés. Ceci facilite les travaux de forage parfois imprévisibles, de mise place lente sous l eau, de forage des pieux sécants. Le choix du ciment a encore plus d importance lors d une mise en place sous l eau. Les exigences relatives à la résistance RAG ou aux sulfates, ainsi que les prescriptions officielles quant au lessivage des chromates, sont à respecter. Ceci ne peut, en général, être atteint qu au moyen des ciments Portland composés (p. ex. Optimo 4, Robusto 4R-S). Granulat En principe, les exigences de la norme SN EN s appliquent aux granulats. Pour obtenir la teneur élevée en farine nécessaire, une courbe granulométrique riche en sable, comparable à celle recommandée pour le béton pompé est à avantager (voir chapitre 4.1). La teneur en sable (d 4 mm) devrait dépasser une proportion de 40 % en masse de la totalité du granulat. Une granularité discontinue n est pas admissible. Le diamètre maximal du granulat ne peut être supérieur à 32 mm, ni dépasser un quart de l espacement des barres d armatures longitudinales. temps d ouvrabilité aussi long que possible. De plus, on a recours à des retardateurs de prise pour garantir le temps d ouvrabilité souhaité et comme mesure de précaution en cas d interruption du bétonnage. Additions Une teneur en farines suffisante peut être assurée par un ajout d additions. L emploi de cendres volantes est utile, notamment en présence de granulats concassés avec un besoin en pâte de ciment accru, et pour renforcer l aptitude à l écoulement du béton (classe de consistance F5). La prise en compte des cendres volantes pour la teneur minimale en ciment (concept du coefficient k) permet une réduction modérée de la résistance et de son évolution, ce qui peut présenter un avantage dans le cas des parois réalisées en pieux sécants. Le concept du coefficient k peut s appliquer sans aucune restriction pour le ciment Holcim Robusto 4R-S (CEM II/ B-M (S-T)), mais pour le ciment Holcim Optimo 4 (CEM II/ B-M (T-LL)) seulement pour des pieux forés temporaires ou au sec. Consistance Le béton pour pieux forés et parois moulées doit, en règle générale, être mis en place gravitairement au travers d une colonne de bétonnage. Pour des cas particuliers, son étalement se situera entre 470 et 530 mm, correspondant à un affaissement entre 120 et 180 mm. Dans la majorité des cas, l étalement sera compris entre 570 et 630 mm corespondant à un affaissement entre 170 et 230 mm. Mise en place Différents procédés sont à disposition pour la mise en place du béton, p. ex. à l aide d un tube de déversement, d un tube de pompage ou d un tube de répartition. Les particularités de chaque mode de mise en place sont à respecter. Sous l eau, respectivement le fluide d excavation, le béton est coulé en place à l aide de tubes plongeurs. Le tube plongeur est placé sur le fond de la tranchée ou du forage de manière à ce que le béton chasse l eau et substitue la suspension bentonitique vers le haut au fur et à mesure du bétonnage. Le béton est coulé du bas vers le haut, ce qui permet de minimiser les impuretés, les ségrégations ou les mélanges avec de l eau (changement du rapport E/C). La suspension refoulée pendant le bétonnage est au fur et à mesure récupérée, traitée pour être réutilisée sur les ouvrages suivants. Adjuvants Les bétons pour pieux forés et parois moulées sont habituellement produits avec des fluidifiants afin de conférer au béton frais la cohésion et la fluidité désirées. Il faut veiller à ce que le fluidifiant employé soit non seulement suffisamment efficace, mais qu il offre également un 228 Holcim guide pratique du béton

374 7.4.4 Recommandations pour la réalisation du béton pour pieux forés et parois moulées Enrobage de l armature La norme SIA 118/262 contient des indications concernant les conditions générales des travaux géotechniques pour la planification et la soumission du béton pour pieux forés et parois moulées. Les pieux préfabriqués doivent respecter les exigences de la norme SIA 262 à l égard des épaisseurs d enrobage de l armature. Celles-ci doivent être augmentées dans les pieux en béton coulé en place en fonction du mode de réalisation: c nom = 60 mm pour pieux avec tubage c nom = 75 mm pour pieux sans tubage ou coulés sous l eau Spécification Les bétons pour pieux forés et parois moulées sont, en général, définis en tant que béton à propriétés spécifiées. Exemple 25 Béton selon norme SN EN 206-1, sorte P2 Béton de pieux forés, sous l eau Classe de résistance à la compression C25/30 Diamètre maximal du granulat D max 32 Classe de chlorures Cl 0.10 Classe de consistance F5 Exigences complémentaires: Résistance aux sulfates Retardement du début de prise de 4 heures Compositions de béton Le tableau donne des exemples de compositions courantes pour des bétons de pieux forés. Béton pour pieux forés P3 au sec Béton pour pieux forés P2 sous l eau Béton pour pieux forés P2 sous l eau, en cas d attaque de sulfates Masse volumique [kg/dm 3 ] Proportion [% en masse] Dosage [kg/m 3 ] Volume [l/m 3 ] Proportion [% en masse] Dosage [kg/m 3 ] Volume [l/m 3 ] Proportion [% en masse] Dosage [kg/m 3 ] Volume [l/m 3 ] Ciment CEM II/B-M (T-LL) (Optimo 4) CEM II/B-M (S-T) (Robusto 4R-S) Addition cendre volante Granulat sable 0/4 gravier 4/8 gravier 8/16 gravier 16/ Eau Air Adjuvant fluidifiant, retardateur selon besoin (0.2 à 0.6 de la masse de ciment) Masse volumique et volume du béton frais Rapport E/C, resp. E/C éq Tab : Exemples de formulations de bétons pour pieux forés pour différentes sollicitations. Holcim guide pratique du béton 229

375 7. Bétons pour des applications particulières 7. Bétons pour des applications particulières 7.5 Béton pour revêtements routiers 7.5 Béton pour revêtements routiers Introduction Les dalles de roulement, aussi appelées couches de surface en béton ou revêtements en béton, sont des éléments de construction fortement sollicités par les charges du trafic, l abrasion, les cycles thermiques journaliers et les effets du gel en présence de sels de déverglaçage. Les couches de surface en béton doivent présenter une haute durabilité, notamment sous un trafic intense avec d importantes charges par essieu. Les ornières connues avec les revêtements bitumineux n apparaissent pas dans des revêtements en béton à cause de leur meilleure répartition des charges, leur plus grande rigidité et stabilité dimensionnelle, même sous des températures élevées. Il en résulte une longue durée de service et de faibles coûts d entretien. La sécurité du trafic est influencée positivement par leur bonne qualité antidérapante, leur haute résistance au feu et la teinte claire de leur surface, particulièrement important dans les tunnels. A l opposé du bitume, la température du béton frais au moment de sa mise en œuvre est proche de la température ambiante. Les revêtements en béton sont utilisés avantageusement pour les surfaces de roulement fortement sollicitées comme les autoroutes, les giratoires, les arrêts de bus, les pistes d aéroports et des terminaux routiers ou encore pour des chemins agricoles (fig ). Une planification précise de tous les détails constructifs et une exécution soigneuse sont importantes pour remplir les hautes exigences posées à la qualité et la mise en œuvre du béton. Fig : Couches de surface en béton: autoroute (en haut à gauche), giratoire (en haut à droite), arrêt de bus (en bas à gauche) et chemin agricole (en bas à droite). 230 Holcim guide pratique du béton

376 Exigences Types standards 1 3: routes et autoroutes, giratoires, arrêts de bus, places Référence béton selon SN EN Type standard 4: routes rurales et chemins forestiers, voies de roulement, pistes cyclables et trottoirs Tab : Exigences à l égard du béton des couches de surface selon la norme SN b. Classes d exposition (CH) XC4, XD3, XF4 XF3, XC4 Classe de résistance à la compression C30/37 C25/30 Résistance à la flexion après 28 jours (essai selon SN EN , prisme mm) Teneur en air Granulat selon SN EN b-NA, SN N/mm N/mm % vol. pour diamètre maximal 32 mm 3.5 % vol. pour diamètre maximal 16 mm D max 32 mm, PSV Exigences normatives Généralités Les exigences relatives aux revêtements en béton pour routes et autoroutes, giratoires, arrêts de bus et places, ainsi que routes rurales et chemins forestiers, bandes de roulement, pistes cyclables et trottoirs sont définies dans la norme SN b «Couches de surface en béton». Pour les applications spéciales, telles que les aéroports, les surfaces avec des exigences extraordinaires ou des modes de constructions particuliers, d autres principes de dimensionnement sont à respecter. Ils ne sont pas traités ici. On distingue les quatre types suivants de couches de surface en béton: couches de surface en béton avec joints (dalles en béton) couches de surface en béton composite couches de surface en béton avec armature continue couches minces de surface en béton (whitetopping) En Suisse, on utilise pratiquement exclusivement des dalles en béton subdivisées par des joints. Les autres types de construction n ont qu une faible importance et ne seront pas traités en détail. Couches de surface avec joints (dalles en béton) Les dalles en béton remplissent la fonction de couche de roulement et/ou de couche de base. Elles font partie de la chaussée résistante au gel et doivent être exécutées avec une pente afin d évacuer les eaux de surface. Les dalles en béton peuvent être posées en monocouche ou bicouche. La couche supérieure est définie comme béton supérieur et la couche inférieure comme béton inférieur. On distingue quatre types standards: routes et autoroutes giratoires arrêts de bus et places routes rurales et chemins forestiers, voies de roulement, pistes cyclables et trottoirs Les exigences formulées concernent la planification (voir chapitre 7.5.4) et le béton (tab ). Surfaces de roulement Pour satisfaire aux besoins de sécurité du trafic, de confort de conduite et de minimisation des émissions sonores, des exigences spécifiques sont formulées relativement à la texture, la qualité antidérapante, la planéité transversale et longitudinale, ainsi qu aux bruits de circulation. Ces exigences sont définies dans les normes SN , SN , SN , SN , SN et SN La qualité antidérapante est un des paramètres plus importants des chaussées et décrit l effet de la nature de la surface de roulement sur le frottement entre le pneu du véhicule et la surface de roulement. Ce coefficient de frottement est décisif pour les forces transmises du véhicule à la surface de roulement (forces d accélération, de freinage et de conduite) et donc pour la sécurité du trafic. Plus le frottement est élevé, plus la transmission des forces et l adhérence à la surface de roulement seront élevées. Une bonne qualité antidérapante est basée sur les effets combinés de la micro- et macrotexture. La microtexture couvre le domaine de mm, la macrotexture celui de mm. La macrotexture est essentiellement une fonction de la granularité du granulat et du dosage en ciment du béton. En cas de vitesses de roulement élevées, elle est importante pour l évacuation de l eau hors de la surface de contact pneu/surface de roulement. Par contre, la microtexture résulte de l état de surface du granulat et détermine la surface de contact avec le pneu. La qualité antidérapante d une surface de chaussée se modifie au cours du temps sous les effets de l altération et de l abra- Holcim guide pratique du béton 231

377 7. Bétons pour des applications particulières 7.5 Béton pour revêtements routiers sion par le trafic. La poudre de quartz contenue dans les poussières de routes a un effet abrasif. Essais Les couches de surface en béton sont soumises à un programme d essai en trois phases. Comme pour d autres constructions en béton, l aptitude à l emploi du béton et du granulat est démontrée à l aide des épreuves de formulation. Pour les projets exigeants, une gâchée et une planche d essai peuvent être convenues afin de contrôler les propriétés spécifiées de béton frais et durci ainsi que les conditions de mise en place, y compris les caractéristiques de la surface finie. En tout cas pendant la mise en œuvre, on contrôlera les propriétés de béton frais et durci, (résistance à la compression, à la flexion, au gel en présence de sels de déverglaçage) sur des éprouvettes ou carottes prélevées dans la couche de béton, ainsi que les caractéristiques de la surface (niveau, planéité, qualité antidérapante) et l exécution (joints, goujons). Les essais de résistance à la flexion et à la compression sont décrits au chapitre 3.8, celui de la résistance au gel en présence de sels de déverglaçage au chapitre Technologie du béton Une haute résistance à la compression et à la flexion ainsi qu au gel en présence de sels de déverglaçage et à l abrasion sont indispensables pour une durabilité suffisante. De manière générale, la résistance à l abrasion est obtenue au travers des résistances mécaniques et d une cure soigneuse de la surface du béton, mais aussi par une résistance minimale au polissage du granulat. Ciment En Suisse, on emploie traditionnellement du ciment Portland CEM I de la classe de résistance 42,5 pour les couches de surface en béton. L aptitude des autres ciments est à prouver par des essais relatifs aux propriétés du béton. En plus, il faut respecter les prescriptions de la norme SN EN en fonction des classes d exposition. En cas d exigences particulières, telle la résistance à la RAG l utilisation de ciments composés (p. ex. CEM/II B-M (S-T), Robusto 4R-S) est recommandée. Granulat En général, les couches de surface en béton sont confectionnées avec un granulat d un diamètre maximal de 32 mm. Pour des couches minces en béton, le diamètre maximal est abaissé à 16 mm et pour des surfaces à faibles émissions sonores à 11 mm voire à 8 mm. Une résistance au polissage (PSV) minimale de 44 unités est exigée pour l emploi dans des couches de surface en béton (voir chapitre 1.3.3). Un granulat grossier concassé (gravillons concassés au lieu de graviers roulés) et un diamètre maximal réduit (p. ex. 16 mm au lieu de 32 mm) peuvent augmenter la résistance à la flexion. Le granulat concassé renforce la rigidité du béton jeune et présente une résistance au polissage plus élevée. Une amélioration supplémentaire de la qualité antidérapante est obtenue par des granulats durs qui sont incorporés dans la surface du béton frais. En Suisse, ce sont surtout le corindon synthétique, mais aussi des copeaux métalliques et du carbure de silicium qui sont employés avec des dosages habituels de l ordre de 1 kg/m 2. Fig : Face latérale stable du revêtement, constitué d un béton à rigidité élevée avant la prise (en haut) et surface lisse et compactée par la finisseuse (en bas). Adjuvants Les entraîneurs d air sont employés pour les couches de surface en béton. Les fluidifiants ne doivent pas provoquer un ramollissement ultérieur du béton frais. Consistance Les engins de mise en place (finisseuses à coffrage glissant) demandent des bétons de consistance raide (classe de consistance C1), pour que les faces latérales de la couche de béton frais ne se tassent pas. Il ne doit pas se former en surface du béton de pellicule de mortier fin, ceci indépendamment du mode de mise en place. La mise en œuvre manuelle sera exécutée avec un béton de consistance ferme (classe de consistance C2). 232 Holcim guide pratique du béton

378 Fig : Talochage d un revêtement en béton mis en place manuellement. Mise en place, compactage et cure La dalle en béton peut être mise en place en une ou deux couches. Une mise en place monocouche exige que toute l épaisseur de la dalle ait la qualité d une couche supérieure et nécessite par conséquent des grandes quantités de gravillons de haute qualité. Avec la mise en place en deux couches, seul le béton supérieur exige des granulats d excellente qualité, tandis que le béton inférieur peut être confectionné avec un granulat recyclé ou local. Cependant, le système monocouche permet des économies sur le coût des machines et du personnel. La mise en place manuelle de petites surfaces (p. ex. giratoires ou arrêt de bus) ou la mise en place dans des conditions d espace restreint se font à l aide d un coffrage fixe, qui doit être bien ancré et fermement appuyé sur le sol, puisqu il sert de référence de nivellement (fig ). Le béton doit être réparti régulièrement sur toute la largeur de la dalle. Les ségrégations ou pré-compactages incontrôlés sont à éviter. Dans le cas d un système bicouche, le béton inférieur et supérieur peuvent être mis en place à l aide d une finisseuse glissante travaillant en deux couches ou par deux finisseuses l une à la suite de l autre. Il faut alors veiller à respecter exactement le nivellement correct du béton inférieur pour assurer l épaisseur minimale de 4 à 5 cm du béton supérieur. Le béton inférieur ne peut précéder le béton supérieur qu à la mesure que le béton inférieur ne montre pas de signes visuels de dessiccation ni semble prendre prise avant le compactage. Le béton supérieur est posé «frais sur frais» pour l obtention d une adhérence durable entre les deux couches. La couche en béton paraît alors monolithique et est capable de supporter des contraintes externes et internes sans dégâts. Le béton doit être compacté régulièrement et complètement sur toute la section, tout en respectant scrupuleusement la consistance et la densité de paremente du béton frais. Les finisseuses à coffrage glissant compactent le béton sur toute la largeur de mise en place à l aide d aiguilles vibrantes qui sont maintenues en hauteur et en direction. Leur écartement est déterminé en fonction de leur rayon d action. Il faut éviter l apparition de «chemins de vibration» (enrichissement en mortier fin). D autre part, l avancement mécanique et continu de la finisseuse prévient des inégalités dues à un compactage irrégulier. Lorsque la mise en place est manuelle, il faut, après le premier compactage au moyen d aiguilles vibrantes, compléter l opération avec d autres engins (poutres vibrantes), agissant sur toute la largeur de mise en place. Le surfaçage des revêtements posés à la finisseuse est effectué par un dispositif de lissage qui permet d obtenir la planéité requise. Dans le cas d une mise en place manuelle, le surfaçage est exécuté au moyen d une règle ou d une poutre vibrante. Le talochage et le lissage mécaniques (lisseuse à pales) sont prohibés (voir chapitre 4.4). Le compactage entraîne la formation d une fine couche de mortier fin, riche en fines, à la surface, qu il faut limiter au maximum. Holcim guide pratique du béton 233

379 7. Bétons pour des applications particulières 7.5 Béton pour revêtements routiers Fig : Surfaçage au balai depuis une plateforme de travail. Surfaçage Le surfaçage final, après le compactage et lissage de la couche de béton, confère au revêtement la qualité antidérapante requise pour l usage prévu. Balai Après le lissage, la surface est structurée à l aide d un balai. Cette opération s effectue depuis une plateforme de travail, à partir de laquelle on tire le balai sous un angle très faible, en long et en large (fig ). Toile de jute Après le lissage, le revêtement en béton peut également être surfacé dans le sens longitudinal, à l aide de toiles de jute (poids minimal 300 g/m 2 ). Pour ce faire, on accroche des toiles de jute à la finisseuse ou à la plateforme de travail qui les traîne derrière elle (fig ). Leur surface de contact avec le béton, dans le sens de la traînée, doit être au moins de deux mètres. Au cours du surfaçage, la toile de jute sera mouillée, voire lavée à l apparition des grumeaux de mortier, dont le poids accru provoque des traces et des creux à la surface du béton ou encore lorsque le mortier sèche sur la toile. Béton lavé, brossé Les surfaces en béton lavé ont fait leurs preuves pour réduire les émissions sonores. La couche lavée est confectionnée avec un gravillon dont le diamètre maximal est de 8 mm ou 11 mm. Ce béton de gravillon, d une épaisseur de 4 cm environ, est mis en place «frais sur frais» en tant que couche supérieure sur un béton inférieur de composition courante. Ce procédé requiert une opération supplémentaire directement après le lissage, soit la pulvérisation d un retardateur empêchant la surface de durcir. Un produit de cure est simultanément appliqué. Le surfaçage final a lieu après fraisage des joints transversaux et consiste à traiter la surface du béton au moyen d un engin muni de brosses qui enlève toutes les particules meubles de la surface du béton (fig ). Immédiatement après le brossage, on pulvérise à nouveau un produit de cure. La profondeur de rugosité doit être de 0.8 mm à 1.1 mm pour un diamètre maximal du granulat de 8 mm. Fig : Surface de béton lavé réalisée par le brossage de la pâte de ciment non durcie. Fig : Surfaçage à la toile de jute. Cure La première mesure, à exécuter immédiatement, consiste à pulvériser un produit de cure sur la surface du revêtement. Ce produit empêche la déperdition d eau jusqu à l application des mesures ultérieures, mais il est sans influence sur la texture de surface du revêtement. La quantité à pulvériser doit être choisie en fonction du produit de cure et de la rugosité de la surface, de manière à obtenir une fine pellicule continue. La quantité varie généralement en fonction de la structure de la surface entre 150 et 200 g/m 2. Un excès de produit de cure peut retarder son élimination naturelle ou réduire la qualité antidérapante initiale du revêtement. Sur la base des classes d exposition, il faut respecter normalement la classe de cure NBK 4 selon la norme SIA 262 (voir chapitre 3.6.2). Les surfaces traitées avec des produits de cure doivent rester fermées à la circulation tant que l on ne peut pas exclure des dommages à la pellicule de protection et la 234 Holcim guide pratique du béton

380 dessiccation précoce du béton qui en résulte. D autres mesures de protection et de cure pour les couches de surface en béton sont employées: arrosage sur toute la surface pour maintenir la surface constamment humide recouvrement par des nattes freinant l évaporation comme les toiles de jute ou les géotextiles recouvrement par des nattes thermiques isolantes empêchant une évaporation de l eau et un réchauffement ou refroidissement du béton Le recouvrement des revêtements en béton au moyen de feuilles plastiques est une mesure très efficace contre la pluie battante, mais inapproprié comme seul traitement de cure Recommandations pour la planification des couches de surface en béton Généralités Les détails de planification des dalles en béton avec des joints sont définis dans la norme SN b à l égard des charges de trafic pondéral, des types de couche supérieure et des types de construction, de l épaisseur (d) et la longueur des dalles (L) ainsi que leur rapport (d/l), de l armature, des goujons (diamètre, longueur, écartement) et des fers de liaison (diamètre, longueur, écartement). Epaisseur et dimensions des dalles Les revêtements en béton sont construits habituellement sur de longues distances et de grandes surfaces. La contraction du béton qui accompagne le refroidissement et le retrait, entravée par le frottement avec le substrat, provoque des contraintes dans ces éléments de grande superficie, qui peuvent conduire à leur fissuration. Pour éviter des fissures indésirables dans les dalles en béton non armé, les couches en béton sont subdivisées par des joints transversaux et longitudinaux. L épaisseur de la dalle est fixée en fonction du type d utilisation (tab ). La détermination des dimensions de la dalle suit certaines règles, illustrées dans la figure Joints Les joints absorbent les déformations dues aux charges, au retrait et au retrait thermiques des dalles en béton non armé. Il faut établir un plan des joints qui tient compte de toutes les conditions cadres, telles que la géométrie, le sens de circulation, la disposition des ouvrages d art, la pente, les regards, etc. d règle 1: L = d règle 2: L 1.5. B règle 3: L 5.00 m Epaisseur de la dalle d [mm] Longueur usuelle de la dalle L [m] Routes et autoroutes Giratoires Arrêts de bus, places Routes rurales et chemins forestiers, bandes de roulement, pistes cyclables et trottoirs B L Les joints transversaux sont coupés dans le béton durcissant. La couche de béton est sectionnée sur environ un tiers de sa hauteur, de manière à obtenir un affaiblissement local de la section et la formation d une fissure contrôlée. Le sciage a d habitude lieu entre 6 et 24 heures après le bétonnage. L entaille doit être faite assez tôt pour éviter toute fissuration incontrôlée. Les joints longitudinaux sont soit fraisés soit des joints de raccordements. Tous les joints doivent être rendus étanches, au moyen de produits d obturation ou de scellements de joints vis-à-vis de la pénétration de l eau et des salissures. La dalle de roulement doit être maintenue propre jusqu au moment du remplissage des joints. Celui-ci a lieu, en règle générale, au plus tôt trois semaines après la pose des dalles en béton. Fig : Règles de dimensionnement des dalles en béton non armé selon SN b. Tab : Epaisseur des dalles en béton en fonction de leur utilisation selon SN b. Selon leur orientation et fonction, les principaux types suivants sont distingués: joints transversaux (avec ou sans présciage) joints longitudinaux (avec ou sans présciage) joints de dilatation (raccordements) joints de raccordement (joints de bord, de transition) Holcim guide pratique du béton 235

381 7. Bétons pour des applications particulières 7.5 Béton pour revêtements routiers Goujons et ancrages Les dalles qui ne sont pas couplées au moyen de goujons, peuvent se déplacer verticalement et horizontalement le long des joints, de manière à perturber la planéité du revêtement en béton et à laisser pénétrer de l eau et des salissures. Les infiltrations d eau provoquent des dégâts dans l infrastructure, les dalles seront soulevées sous l effet du gel et perdront leur appui. La dalle produit alors des mouvements de pompe, qui accélèrent la dégradation de l infrastructure. Ce processus conduit à des sollicitations mécaniques imprévues de la dalle provoquant des fissures et des ruptures. De plus, le passage des véhicules sur les marches d escalier résultantes produit des bruits gênants. Les goujons transmettent les contraintes transversales entre les dalles et empêchent leurs déplacements mutuels et la formation des marches d escalier (fig ). Tandis que les goujons sont placés de manière à transmettre les contraintes transversales, les ancrages peuvent aussi transférer des contraintes normales, c.-à-d. dans le sens longitudinal. Les joints transversaux sont en général équipés de goujons, tandis que les ancrages sont placés dans les joints longitudinaux, afin de prévenir les migrations des dalles. Un écartement typique des ancrages et goujons dans le sens du joint est de 50 cm. Armature Les dalles en béton selon la norme SN sont réalisées sans armature, sauf dans certains cas particuliers: dalles avec une géométrie irrégulière dalles avec des regards, en règle générale dans les dalles d extrémité dalles dans des secteurs de lit de pose irrégulier pour lesquelles on craint un tassement irrégulier de largeur du joint chanfrein de 3 mm mastic d obturation produit de scellement 2 5 mm profondeur de remplissage profondeur du joint Fig : Joint transversal avec une entaille fraisée et fissurée par la suite (en haut), schéma d une étanchéité de joint (en bas). L armature n a pas de fonction statique, mais sert à limiter l ouverture des fissures. L épaisseur d enrobage pour prévenir la corrosion induite par les chlorures doit être au moins de 55 mm, mais au maximum de 70 mm pour une restriction efficace de l ouverture des fissures. Habituellement on utilise des treillis soudés. Ils doivent être interrompus sur 50 mm de longueur de part et d autre des joints, afin de ne pas entraver le fonctionnement de ces derniers. Fig : Types de joints dans les dalles en béton détail à droite: raccords en béton sous un joint de dilatation. 4.7 m 4.9 m 5.1 m 4 m 25 cm 25 cm C25/30 4 m 5 m joint longitudinal joint transversal joint journalier joint de dilatation zones armées raccord 236 Holcim guide pratique du béton

382 Regards Les ouvertures sous forme de regards perturbent la géométrie régulière visée des dalles. De ce fait, un positionnement au centre de la dalle ou au croisement des joints longitudinaux et transversaux sera recherché. La dalle doit être localement armée dans la zone du regard, si celui-ci est placé sur ou près d un joint ou de la bordure d une dalle, afin d éviter une fissuration incontrôlée. d/2 d/2 l/2 l/2 d Fig : Positionnement d un goujon dans un joint transversal (en haut), la liaison par goujons transmet l effort tranchant à la dalle voisine et réduit le moment de flexion. Infrastructure Des infrastructures stabilisées à l aide d une couche aux liants hydrauliques ou à liaison bitume ont suffisamment fait leurs preuves, pour éviter les effets de pompage (mouvements verticaux de la dalle sur un lit instable), et permettre l amélioration de la capacité portante des dalles en béton fortement sollicitées. Il faut veiller à ce que la surface présente une certaine rugosité, assurant une adhérence minimale entre la dalle en béton et la couche de fondation. Ceci augmente la capacité portante dans son ensemble et garantit une fissuration régulière des joints transversaux. Il en résulte une ouverture régulière des joints et donc un meilleur confort de conduite. Goujon Transmission de l effort tranchant P Composition du béton Le tableau donne des compositions typiques de bétons pour des dalles de roulement. complète incomplète Masse volumique [kg/dm 3 ] Béton de couche de surface, mise en place manuelle Proportion [% en masse] Dosage [kg/m 3 ] Volume [l/m 3 ] Béton de couche de surface, mise en place mécanique Proportion [% en masse] Dosage [kg/m 3 ] Volume [l/m 3 ] Tab : Exemples de formulations de bétons pour des dalles de roulement. Ciment CEM I (Normo 4) CEM II/B-M (S-T) (Robusto 4R-S) Granulat sable 0/4 gravier roulé 4/8 gravillon concassé 8/11 gravier roulé 8/16 gravier roulé 16/ Eau Air Adjuvant fluidifiant, entraîneur d air selon besoin Masse volumique et volume du béton frais Rapport E/C, resp. E/C éq Propriétés sélectionnées du béton Résistance à la flexion RAG f ct 5.5 N/mm 2 f ct 5.5 N/mm 2 résistant Holcim guide pratique du béton 237

383

384 Chapitre 8 Dégradations du béton Remarques préliminaires Colorations Introduction Typologie apparente Causes et mesures préventives Ségrégation et perte de pâte ou de mortier fin Introduction Typologie apparente Causes et mesures préventives Dégradations dues à la réaction alcalis-granulats Introduction Typologie apparente Causes et mesures préventives Dégradations liées à la corrosion de l armature Introduction Typologie apparente Causes et mesures préventives Efflorescences Introduction Typologie apparente Causes et mesures préventives Fissures Introduction Typologie apparente Causes et mesures préventives Dégradations dues au gel/dégel en l absence ou en présence de sels de déverglaçage Introduction Typologie apparente Causes et mesures préventives Dégradations dues aux attaques chimiques dissolvantes Introduction Typologie apparente Causes et mesures préventives Dégradations dues aux attaques par des sulfates Introduction Typologie apparente Causes et mesures préventives 270

385 8. Dégradations du béton 8. Dégradations du béton Remarques préliminaires Fig : Carotte du revêtement routier de la «Hellgasse» à Möriken-Wildegg, construit en (Source: Technik und Forschung im Betonbau, Wildegg). On désigne par le terme de dégradation, un affaiblissement de la structure du matériau. Les dégradations peuvent apparaître sous diverses formes. On distingue, en simplifiant, les dégradations survenues avant la mise en service, c.-à-d. immédiatement après la confection du béton, et les dégradations se développant pendant la durée de service, c.-à-d. après un certain vieillissement et/ou sous des sollicitations externes. Par contre, il s agit d un défaut si le béton ne présente pas, au moment de la réception de l ouvrage, les propriétés convenues contractuellement, p. ex. en relation avec son aspect, sa durabilité et sa résistance. L évaluation des défauts et des dégradations se base sur la considération de leur étendue, leur intensité et leurs effets sur la sécurité structurale, l aptitude au service et la durabilité d un élément d ouvrage ou de l ouvrage. Les critères d évaluation dépendent des exigences convenues lors du projet pour les phases d exécution et d utilisation de l ouvrage. Les connaissances des causes et des mécanismes de dégradation sont indispensables pour leur interprétation et l évaluation de leurs conséquences. Elles constituent la base pour des analyses de risque, la définition de l entretien nécessaire et le choix des mesures de protection et de remise en état. Le béton est un matériau de construction très durable, à condition que la composition soit adéquate et que l exécution soit réalisée selon les règles de l art. La figure montre une carotte prélevée dans un revêtement routier en béton (Cant. Argovie), qui a été construit en 1935 et démoli en 2011 au cours d une réfection. Evaluation du revêtement en béton Hellgasse, Möriken- Wildegg par le TFB, Wildegg: Composition du béton: il est frappant de constater les rapports E/C visés très bas (0.30 à 0.40). Selon les analyses microscopiques, les valeurs atteintes se situent entre 0.40 et 0.45, donc plus élevées que les valeurs visées, mais toujours très basses du point vue actuel. Propriétés du béton durci: aujourd hui le béton possède une haute résistance à la compression, une haute résistance au gel/dégel en présence de sels de déverglaçage, une haute résistance aux chlorures et une faible perméabilité à l eau. Ceci s explique par les rapports E/C bas. Malgré une exposition longue aux sels de déverglaçage, la pénétration des chlorures dans le béton est bien moindre que celle des ouvrages routiers plus jeunes, fortement exposés aux sels. Ceci vient du fait que le béton présente une structure très dense et qu il a été exposé aux sels pour la première fois à un âge déjà avancé (remarque: le déblayage complet et le salage des routes n a commencé en Suisse que dans les années 1960). Grâce à sa structure dense, le béton possède, malgré une faible teneur en air, une haute résistance au gel en présence de sels de déverglaçage. L armature, avec une épaisseur d enrobage de 45 mm, ne montrait pratiquement pas de signes de corrosion. 240 Holcim guide pratique du béton

386 8.1 Colorations Introduction Les colorations constituent un changement de la teinte de la surface du béton, causées p. ex. par la composition du béton, le système de coffrage, l exécution et/ou les conditions d environnement. Le béton présente déjà des variations de teinte en fonction de ses matières premières (composants) et de sa mise en œuvre. La figure illustre les variations de la teinte grise de bétons de composition identique, mais dont une propriété ou un composant a été modifié. Les bétons confectionnés avec un même type de ciment, mais provenant de différentes cimenteries, affichent des teintes grises différentes. Les bétons avec un rapport E/C élevé apparaissent plus clairs que les bétons avec un rapport E/C bas. Pour un rapport E/C identique, les bétons à consistance molle sont plus clairs que les bétons à consistance raide. Les colorations dues à l exécution représentent normalement un défaut, mais ne conduisent pas à une dégradation. En règle générale, elles n ont que des effets sur l apparence esthétique de la surface du béton et sont donc importantes surtout pour le béton de parement. Les basses températures régnant lors de la mise en place du béton favorisent l apparition de colorations. Grâce aux mesures supplémentaires comme l élévation de la température du béton frais, le chauffage et/ou le recouvrement des éléments d ouvrage, il est possible, sous certaines conditions, de réaliser des éléments en béton de parement même à basses températures (voir chapitre 7.1). Fig , en haut: Teintes de bétons de composition identique et de ciment de même type, mais provenant de deux cimenteries différentes. Fig , centre: Teintes de bétons de composition identique et de rapports E/C différents: teinte gris clair avec un rapport E/C = 0.65 (à gauche), teinte gris foncé avec un rapport E/C = 0.45 (à droite). Fig , en bas: Teintes de bétons de composition identique et de consistances différentes avec un rapport E/C = 0.45: teinte gris clair pour une consistance molle (à gauche) et teinte gris foncé pour une consistance raide (à droite). Les colorations dues au vieillissement et à l altération (patine) dépendent du matériau et de l exécution. En revanche, il s agit de taches si les colorations résultent d un effet externe sur une surface de teinte auparavant impeccable (p. ex. traces de rubans adhésifs, de planches en bois, de films de plastique, etc.). Lors de l évaluation, il faut faire une distinction entre les taches ou maculations et les colorations. Holcim guide pratique du béton 241

387 8. Dégradations du béton 8.1 Colorations Typologie apparente La figure montre quelques types de colorations qui ne font pas partie des variations de la teinte grise. Les colorations brunes des éléments préfabriqués en béton (efflorescences de carbonates colorées) sont traitées plus en détail au chapitre 8.3. Fig : Typologie apparente des colorations de la surface du béton. Coloration claire-foncée (peau de léopard) d une surface de béton réalisé sous des conditions hivernales. Stries ou marbrures noires sur une surface de béton à consistance molle, qui contient des constituants à impuretés noires. Coloration brun-rouge provoquée par des coulures d eau chargée en rouille provenant d une armature de raccordement non protégée. Coloration jaune-brun d une surface de béton au contact d un coffrage à revêtement en résine phénolique. Coloration rose d une surface de béton SCC suite à l emploi d un coffrage métallique en acier de faible qualité et d un produit de décoffrage inadéquat. Coloration bleue temporaire d un béton à base de ciment de laitier de haut-fourneau. 242 Holcim guide pratique du béton

388 8.1.3 Causes et mesures préventives Colorations claires-foncées Causes Malgré une planification correcte et une exécution impeccable, il arrive que des colorations claires-foncées (peau de léopard) apparaissent après la mise en place et le décoffrage de bétons de parement sous des conditions hivernales. Lors de bétonnages en hiver, la présence d une humidité de l air relativement élevée pendant le séchage du béton peut affecter de manière significative l aspect de la surface du béton. Pendant le séchage, il se crée un gradient d humidité de l intérieur vers l extérieur. Celui-ci provoque un mouvement de l humidité dans le système des pores capillaires, qui transporte l hydroxyde de calcium dissout dans la solution interstitielle des pores, vers le front d évaporation. Selon la teneur en eau, la porosité du béton et les conditions environnementales, le taux d évaporation à la surface du béton peut être plus élevé que l apport d eau par la solution des pores arrivant à la surface. Dans ce cas, l horizon d évaporation migre vers l intérieur du béton. Pendant le séchage, l hydroxyde de calcium précipite comme carbonate au niveau du front d évaporation. Si la surface du béton reste humide, c.-à-d. que le front d évaporation se trouve à la surface du béton, des efflorescences de carbonates claires se développent (voir chapitre 8.3.3). Dès que le front d évaporation migre vers l intérieur du béton, l hydroxyde de calcium cristallise comme carbonate à l intérieur des pores. Mesures préventives Les colorations claires-foncées suite à des accumulations d hydroxyde de calcium peuvent être influencées favorablement en décalant les bétonnages vers des périodes à conditions climatiques plus propices ou en prenant des mesures de protection hivernale, empêchant la précipitation des carbonates à la surface du béton. Stries ou marbrures noires Causes Les stries noires peuvent apparaître à la surface des bétons autoplaçants ou des bétons à consistance très fluide. Les stries noires ne se forment pas dans les bétons à consistance raide à molle. Les causes sont: des inclusions organiques noires dans certains calcaires, p. ex. Schrattenkalk des poussières de charbon non incinérées dans la cendre volante ou la fumée de silice Les composés organiques issus des matières premières sont contenus dans les additions au ciment, dans le granulat ou dans les additions au béton. A cause de leur faible masse volumique, ces composés colorants flottent à la surface du béton frais. Mesures préventives En cas d emploi d un béton autoplaçant ou d un béton à consistance très fluide, il est recommandé d employer des ciments, des granulats et des additions qui ne contiennent que peu de composés organiques noirs. L évaluation de la perte au feu offre à cet effet un premier indice. Sous de basses températures et une humidité relative de l air élevée, le temps de migration du front d évaporation vers l intérieur du béton augmente, ceci crée une accumulation d hydroxyde de calcium juste sous la surface du béton. La pâte de ciment proche de la surface du béton se densifie et la texture de la surface devient plus lisse et fermée. Ces surfaces possèdent un pouvoir de réflexion plus bas, ce qui les fait apparaître encore plus foncées (tab ). Taux d évaporation Modes d apparition Sans coloration Coloration foncée Efflorescence plus élevé que l apport de la solution de pores identique à l apport de la solution de pores plus faible que l apport de la solution de pores Tab : Processus de transport et de cristallisation pendant le séchage. Front d évaporation à l intérieur du béton juste sous la surface du béton à la surface du béton Hydroxyde de calcium (CaOH 2 ) précipite dans les pores à l intérieur du béton s accumule juste sous la surface du béton précipite à la surface du béton Holcim guide pratique du béton 243

389 8. Dégradations du béton 8.1 Colorations Fig : Protection des armatures de raccordement vis-à-vis des intempéries. Colorations brun-rouge Causes Les colorations brun-rouge peuvent apparaître lorsque l armature de raccordement dalles-murs est exposée aux intempéries. La rouille se formant à la surface de l acier peut être dissoute p. ex. par l eau de pluie. Cette eau chargée de rouille peut provoquer des taches brunrouge ou des traces de coulures en s écoulant sur une surface de béton. Il est très difficile d éliminer des taches de rouille sur une surface de béton. L eau chargée de rouille pénètre d habitude si profondément dans le béton qu un nettoyage superficiel ne suffit pas. Il existe des produits de nettoyage capables d enlever les taches, mais les surfaces traitées deviennent nettement plus claires. En cas d emploi d un tel produit, un traitement de la surface entière est recommandé. Mesures préventives Les fers d armatures exposés sont à emballer avec des feuilles de plastique et à protéger des venues d eau. La protection nécessaire est aussi obtenue en mettant l élément d ouvrage à l abri sous une tente. Une autre solution consiste à badigeonner les fers d armature avec du lait de ciment afin de leur offrir une protection anticorrosion. Colorations jaune-brun Causes Les colorations jaune-brun peuvent apparaitre lorsque le béton est mis en place dans des coffrages à revêtement de résine phénolique, qui n a pas suffisamment durci ou qui, à l état durci, n est pas suffisamment résistant aux rayons UV et aux alcalis. Les sollicitations par le rayonnement UV et par les intempéries, ainsi que la façon de stocker les panneaux de coffrage sur le chantier, sont déterminants relativement à l apparition et à l intensité des colorations. Les températures élevées atteintes par l élément d ouvrage pendant l hydratation peuvent accélérer la dégradation chimique de la pellicule de résine phénolique. Si un espace se crée entre le coffrage et la surface du béton, suite au retrait ou au relâchement des ancrages de coffrage, de l eau de condensation peut se former par l air plus frais pénétrant à l intérieur de cet interstice. L eau de condensation dissout les constituants phénoliques et coule entre le béton et le coffrage en laissant des traces jaune-brun à la surface du béton. Mesures préventives La résistance aux alcalis des panneaux à revêtement de résine synthétique peut être contrôlée avant leur emploi, en particulier pour la confection de béton de parement, à l aide du test dit «de l œil de bœuf» (application de potasse caustique pendant un court instant sur la surface du revêtement en résine phénolique). En cas de production de béton à surfaces lisses, il faut toujours veiller à ce que les peaux de coffrages n engendrent pas de colorations. Il est recommandé de vieillir artificiellement les panneaux de coffrages en bois absorbant avant leur premier emploi, en les enduisant avec du lait de ciment. Toute exposition au rayonnement UV et aux intempéries, ainsi qu un stockage inadéquat sur le chantier, doivent être évités. Colorations roses Causes Les colorations roses peuvent apparaître lorsque les conditions suivantes sont simultanément remplies: l emploi d un ciment à base de schistes calcinés (Optimo 4 ou Robusto 4R -S) une consistance très fluide du béton (SCC ou béton facile à compacter) un coffrage métallique (qualité d acier oxydable) une huile ou un produit de coffrage inadéquat Les ciments à schistes calcinés contiennent dans leurs matières premières des proportions faibles d argiles cuites avec des minéraux ferrifères (magnétite ou hématite). La coloration rose résulte de l accumulation des composés de fer d une épaisseur d un à deux micromètres sur la surface de contact entre le béton et le coffrage. La concentration des oxydes de fer à la surface présente une ségrégation en relation avec les coffrages métalliques oxydables. Dans les bétons à consistance très fluide, les particules d oxydes de fer semblent pouvoir se mouvoir plus librement et provoquer plus facilement des colorations. La probabilité d apparition de coloration est d autant plus grande que les températures seront basses. Par contre, le dosage en ciment, la provenance du ciment et du granulat, le type de fluidifiant ou l utilisation d un entraîneur d air n ont aucune influence sur la probabilité d apparition de colorations. Les colorations roses n ont pas été constatées dans les bétons vibrés, sur des surfaces non coffrées ou dans le cas d utilisation de coffrages en bois ou synthétiques. Les colorations roses peuvent être éliminées facilement par un léger ponçage avec du papier de verre. Les propriétés du béton ne sont en aucun cas affectées. Un nettoyage simple à l eau sans traitement mécanique ne suffit pas pour enlever les colorations. 244 Holcim guide pratique du béton

390 Mesures préventives Les mesures de prévention des colorations roses suivantes ont été vérifées dans la pratique: l utilisation de coffrages métalliques en acier inoxydable. Ces coffrages de parement sont facilement reconnaissables à leur couleur métallique-argenté. l utilisation d une cire plutôt qu une huile de coffrage pour les panneaux usagés ou métalliques. Coloration bleue Causes Les colorations bleues apparaissent exclusivement avec l emploi de ciments de laitier de haut fourneau (CEM III). Elles sont induites par des teneurs faibles en sulfures dans le laitier. Les sulfures réagissent avec l eau et forment des sulfures de calcium hydratés et des polysulfures de calcium. Ces polysulfures peuvent, à l abri de l air et dans un milieu alcalin (surfaces de béton coffrées), réagir avec des ions métalliques dissouts du laitier et du ciment (p. ex. fer, manganèse) et former des sulfures métalliques d une teinte vive verte ou bleue. Ces sulfures métalliques verts ou bleus s oxydent en composés incolores (sulfates, sulfites) au contact de l air lorsque le béton sèche. La vitesse d oxydation avec laquelle cette coloration du béton à base de ciment de laitier de haut fourneau peut disparaître, dépend de plusieurs facteurs: les conditions climatiques froides et humides ralentissent le séchage de la surface et donc la décoloration par oxydation. les bétons poreux avec un rapport E/C élevé se décolorent rapidement. Ainsi immédiatement après le décoffrage, c est une surface incolore qui apparaît. Dans les bétons denses le processus dure plus longtemps. les éléments d ouvrage horizontaux (dalles) qui restent plus longtemps dans le coffrage, se décolorent plus lentement. Fig : Surface d une dalle en béton, en haut: avec une coloration bleue après le décoffrage; en bas: quelques semaines plus tard décoloration complète. Mesures préventives Les colorations bleues et vertes n apparaissent, en général, que dans les bétons particulièrement denses et disparaissent par elles-mêmes en quelques jours ou mois. Si une teinte claire visée doit être atteinte au plus vite, des mesures favorisant le séchage de la surface peuvent avoir un effet d accélération de la décoloration. Selon les conditions ambiantes et la structure du béton, le processus de décoloration de la surface peut durer de quelques jours à quelques mois. Au cœur des bétons denses, la coloration verte ou bleue reste préservée pendant des décennies. Ceci peut aussi avoir un effet sur des surfaces traitées ultérieurement. On suppose qu un traitement ultérieur bouche les pores superficiels et ralentit le processus d oxydation. Les surfaces polies peuvent montrer une coloration persistante pendant longtemps, restant visible pendant plusieurs mois. Aussi une humidification peut rendre les colorations à nouveau visibles. Le phénomène n est pas encore entièrement expliqué. Holcim guide pratique du béton 245

391 8. Dégradations du béton 8. Dégradations du béton 8.2 Ségrégation et perte de pâte ou de mortier fin 8.2 Ségrégation et perte de pâte ou de mortier fin Introduction Différentes ségrégations peuvent survenir pendant ou après le transport, le transbordement, la mise en place, le compactage et le talochage du béton frais. Elles amoindrissent la qualité et l aspect du béton. Une surface de béton rugueuse ou inégale, avec des colorations sombres, est provoquée par l échappement de la pâte de ciment et du mortier le plus fin par les joints de coffrage non étanches. Le ressuage ou la sécrétion de l eau représente une forme particulière de la ségrégation Typologie apparente La figure illustre quelques formes typiques de ségrégations et de perte de pâte de ciment ou de mortier fin Causes et mesures préventives Généralités Les constituants du béton frais peuvent se dissocier avant le raidissement. Les composants se séparent en fonction de leur taille et masse volumique sous l effet d une vibration trop intensive ou par gravité dans le béton frais au repos. Les grains grossiers et lourds plongent (se sédimentent), tandis que les particules fines et légères remontent (fig ). La libération de l eau de gâchage par la pâte de ciment est appelée ressuage du béton. Ce phénomène peut avoir lieu en surface et à l intérieur du béton. Un enrichissement en pâte de ciment peut se former sous les gros granulats, lors d une vibration excessive du béton. La création d une structure irrégulière, notamment de la porosité capillaire, affecte le développement de la résistance et la durabilité du béton. En surface du béton, les ségrégations se signalent sous la forme de variations de teintes. Les zones enrichies en pâte de ciment restent friables, même après le durcissement du béton et ont tendance au farinage et au sablage. Fig : Carottes de forage d une dalle en béton, à gauche: forte sédimentation, à droite: structure homogène sans sédimentation. 246 Holcim guide pratique du béton

392 Fig : Typologie apparente des ségrégations et des pertes de pâte de ciment et de mortier fin. Formation de larges voiles suite à des microségrégations induites par un compactage ponctuellement excessif. Formation de larges voiles par un mélange insuffisant des déversements de béton et un ressuage de l eau du béton frais. Ebauche d armature à la surface suite à une microségrégation par un compactage local excessif. Dessin des joints de coffrages non étanches induites par la perte de la pâte de ciment; au milieu des panneaux apparaissent des efflorescences claires. Farinage et sablage à la surface d une dalle en béton consécutifs à un fort ressuage du béton. Canaux de remontée d eau de gâchage en excès sur une surface verticale coffrée. Perte de pâte de ciment et de mortier fin à travers un joint non étanche. Nid de gravier à l endroit du raccord dalle-mur suite à un compactage insuffisant et l échappement de mortier fin par le joint de coffrage non étanche. Holcim guide pratique du béton 247

393 8. Dégradations du béton 8.2 Ségrégation et perte de pâte ou de mortier fin Des températures basses, un compactage excessif, une composition pauvre en farines ou un haut rapport E/C favorisent le ressuage (fig ). Ebauche de l armature Causes Le reflet de la nappe extérieure de l armature visible en surface du béton est créé par des microségrégations au niveau des particules les plus fines du béton frais. Un surcompactage local, à proximité du coffrage ou de l armature qui entrent en résonnance, en est la cause. Mesures préventives Un compactage trop intensif doit être évité et le pervibrateur ne doit pas toucher l armature. En outre, les différences de température entre le béton frais et les fers d armature de plus de 12 C sont à éviter en cas de tempé ratures ambiantes inférieures à 5 10 C. Le phénomène n est normalement pas lié à une épaisseur d enrobage insuffisante. Formation de voiles Causes Lorsque le béton présente une tendance à la ségrégation et lorsque les tas de béton frais successivement déversés n ont pas été suffisamment mélangés, de larges voiles peuvent apparaître. Ils se dessinent par des liserés clairs sur les surfaces des plafonds. porosité capillaire plus basse mènent à des colorations sombres de grande étendue, notamment les sous-faces de planchers. C est de la même manière que des ségrégations induisent avec la perte d eau de la pâte de ciment liées aux nids de gravier ou aux joints non étanches, des colorations sombres fortement contrastées. Mesures préventives Les colorations sombres induites par des ségrégations peuvent être évitées, en hiver, par l emploi d un accélérateur et le recours à des formulations de béton caractérisées par une meilleure capacité de rétention d eau. Farinage et canaux de remontée de l eau Causes Le farinage résulte d une hydratation perturbée du ciment à la surface du béton. L eau de gâchage ressuée peut remonter le long du coffrage et laisser des traces sur la surface du béton, appelées canaux de remontée d eau. Ce phénomène apparaît souvent lors de l emploi de coffrages lisses non absorbants, en relation avec de fortes épaisseurs de couches de déversement. Des zones formant des nuages gris clairs à sombres, associés à des degrés de brillance variables, peuvent être causées par un compactage, irrégulier, insuffisant ou excessif. Il en résulte une ségrégation du béton, dont la surface peut présenter des colorations sombres. Des voiles peuvent également apparaître lors de l utilisation de grandes quantités d additions (p. ex. de la cendre volante). Mesures préventives La mesure la plus importante consiste en un compactage maîtrisé du béton frais pour empêcher un surcompactage local. Lors du compactage, l aiguille vibrante ne doit pas toucher le coffrage ou l armature (voir chapitre 3.5). L épaisseur de l enrobage doit être impérativement respectée. Une teneur en farine assez élevée, comme p. ex. pour un béton pompé, améliore le pouvoir de rétention de l eau du béton frais (voir chapitre 4.1). Le béton doit être mis en place en couches régulières et compacté consciencieusement en tenant compte de sa consistance. Colorations sombres Causes Les températures basses retardent le temps de prise et augmentent le risque de ségrégation du béton frais. La redistribution et la perte de l eau au niveau microscopique, induites par les ségrégations, engendrent des perturbations locales fortes de l hydratation du ciment. Un degré d hydratation plus faible et, en conséquence, une Fig : Eau (de ressuage et de pluie) sur une surface horizontale d un béton. Mesures préventives La composition du béton est déterminante quant à l apparition du ressuage du béton frais. Les points suivants doivent être respectés en ce qui concerne la formulation et la mise en œuvre du béton: Le béton doit avoir une teneur suffisante en farines. L utilisation des ciments CEM II/B-M est avantageuse à cause de leur meilleur pouvoir de rétention d eau. Le béton doit avoir une consistance plastique à fluide et sa teneur en eau doit être limitée (rapport E/C < 0.6). L emploi d un coffrage absorbant (p. ex. en lames de bois) réduit le risque d apparition de canaux de remontée d eau. Le béton doit être coulé avec une vitesse constante et en couches régulières horizontales d une épaisseur de cm, afin de minimiser les ségrégations. Le béton coulé doit être compacté rapidement et régulièrement. 248 Holcim guide pratique du béton

394 Nids de gravier Causes Les nids de gravier se forment lorsque le béton se décompose, p. ex. à cause d une hauteur de déversement trop grande ou d un compactage ponctuellement insuffisant. Un coffrage non étanche, d où la pâte de ciment et le mortier fin peuvent s échapper, peut aussi provoquer des nids de gravier. Une armature trop dense ou un écartement des barres d armature trop faible par rapport au diamètre maximal du granulat peuvent également conduire à des nids de gravier, voire un remplissage incomplet des coffrages (fig ). pendant au moins deux minutes immédiatement avant le déchargement. Le béton doit être coulé à vitesse constante et en couches horizontales d épaisseur régulière. Pour éviter les ségrégations, la hauteur de déversement ne dépassera pas cm au maximum (voir chapitre 3.4.3). Pour les parements, il est possible de prévenir les ségrégations au pied du mur par la mise en place au préalable d une couche de béton (épaisseur env. 10 cm) avec une teneur en ciment plus élevée et un diamètre maximal du granulat réduit. Il faut veiller à ce qu il n en résulte pas une éventuelle différence de teinte du béton. Les nids de gravier apparaissent surtout dans les zones de bordure et dans les parties inférieures des éléments d ouvrage. Ils se font remarquer à cause de leur texture et de leur teinte plus sombre. Pour le béton de parement (SBK2 à S), ils constituent un défaut et peuvent mettre l étanchéité et la durabilité en cause. Fig : Disposition à densité élevée des barres d armature. Si les nids de gravier sont petits et sans effets sur la sécurité structurale et la durabilité, il est souvent préférable de renoncer à une réparation, celle-ci risquant d altérer plus encore la qualité optique du béton de parement. Mesures préventives La formation des nids de gravier peut être réduite par les mesures suivantes: Lors de la planification des ouvrages en béton de parement, il faut adapter les dimensions des éléments d ouvrage en fonction de la densité et de la disposition des barres d armature, ainsi que des propriétés du béton, de manière à ce que la mise en place et le compactage soient possibles sans entrave. L écartement des barres d armature doit être plus grand que le diamètre maximal du granulat et celui des barres d armature voisines. Une attention toute particulière doit être portée aux endroits de recouv rement des barres, des ancrages et des pliages en cas de teneurs élevées en armature. Le béton doit posséder une granularité adéquate et une consistance adaptée aux dimensions de l élément d ouvrage et au mode de mise en place (voir chapitre 4.1). En général, le diamètre maximal du granulat ne devrait pas dépasser un tiers de l épaisseur minimale de l élément d ouvrage. Le coffrage doit être étanche afin d empêcher l écoulement de l eau et de la pâte de ciment. La fixation et l étanchéification à l endroit des joints de bétonnage, des joints de coffrage, des angles, des arêtes et des insertions sont à préparer avec le plus grand soin. Des ouvertures dédiées au compactage sont à prévoir dans la disposition de l armature et du coffrage de manière à ce que le béton puisse être étalé et compacté régulièrement. Lorsque le transport du béton frais se fait par camion malaxeur, de longues durées de transports augmentent le risque de ségrégation. Le béton doit être malaxé Fig : Ouvertures pour couler et compacter le béton en cas de densité d armature très élevée. Holcim guide pratique du béton 249

395 8. Dégradations du béton 8.3 Efflorescences 8.3 Efflorescences Introduction Les efflorescences sont des précipitations de sels solubles à l eau, et où l hydroxyde de calcium se présente sous forme d une couche fine de cristaux. Les efflorescences sont réparties en trois classes: les efflorescences calcaires les concrétions calcaires les colorations brunes des produits en béton (efflorescences calcaires colorées) Typologie apparente Les efflorescences calcaires sont en règle générale des dépôts fins, blancs, en voile ou tachetés, qui peuvent altérer la teinte et l aspect d une surface en béton. Sur des surfaces de béton de parement, notamment les surfaces teintées en noir, ces efflorescences sont difficilement acceptables. Elles n entament ni la résistance ni la durabilité du béton. Les efflorescences de grande étendue apparaissent surtout au printemps et à l automne sur des éléments en béton jeune. Les efflorescences calcaires combinées avec des dépôts de gel silicaté sont traitées au chapitre 8.8. Des efflorescences et concrétions peuvent se former sur de longues périodes autour des fissures sujettes à des suintements d eau. Fig : Typologie apparente des efflorescences. Efflorescences calcaires sur un mur en béton. Concrétions calcaires le long des fissures d un mur en béton. Colorations brunes d un dallage en béton (efflorescences calcaires colorées). Dalle en béton fissurée avec des concrétions calcaires sous forme de stalactites. 250 Holcim guide pratique du béton

396 8.3.3 Causes et mesures préventives Efflorescences calcaires Causes Lors de l hydratation du ciment, il se crée de l hydroxyde de calcium (CaOH 2 ). L hydroxyde de calcium est un minéral soluble à l eau dont la solubilité augmente lorsque la température baisse. La solution interstitielle des pores est saturée en hydroxyde de calcium. Si la solution des pores s évapore à la surface du béton, l hydroxyde de calcium réagit avec le dioxyde de carbone (CO 2 ) de l air pour former le carbonate de calcium (CaCO 3 ) qui cristallise en minéral blanc insoluble à l eau. Ca(OH) 2 + CO 2 + H 2 O CaCO H 2 O hydroxyde de calcium + dioxyde de carbone + eau carbonate de calcium + eau Eq La réaction de l hydroxyde de calcium avec le dioxyde de carbone de l air est appelée carbonatation. La carbonatation commence naturellement à la surface du béton et pénètre lentement à l intérieur de la pâte de ciment. Le carbonate de calcium forme les efflorescences calcaires après l évaporation de la solution des pores à la surface du béton. Le carbonate de calcium se forme toujours malgré qu avec le temps, le front d évaporation migre dans le béton. Le carbonate de calcium formé à l intérieur du béton n est plus visible comme efflorescence (tab ). En hiver, le danger d apparition de taches sombres ou de voiles d efflorescences calcaires est grand, étant donné que le front d évaporation se situe soit à la surface soit juste en-dessous. Dès que le béton sèche à la surface, les processus de dissolution et de diffusion, ainsi que la capacité d efflorescences sont interrompus jusqu à la prochaine humidification. Si un béton déjà séché, notamment au jeune âge, est humidifié de nouveau, l hydroxyde de calcium peut être dissout dans le béton et effleurer à la surface sous forme de carbonate de calcium. Les flaques d eau sur des surfaces en béton horizontales, l eau de pluie et de condensation sous les feuilles de plastique pendant la cure, peuvent provoquer des efflorescences calcaires. Il convient donc de planifier, à l avance, l évacuation de l eau de pluie par des mesures supplémentaires, comme une pente suffisante des surfaces horizontales ou des larmiers pour des surfaces verticales. phosphorique dilué. Les efflorescences légères peuvent disparaître par elles-mêmes au cours des années si l élément en béton est exposé à la pluie (eau douce, pluie acide). Mesures préventives Il n est souvent pas possible d éviter l apparition des efflorescences à cause d un grand nombre de facteurs d influence affectant tant le béton de parement que les produits en béton. Les mesures suivantes peuvent toutefois diminuer le risque de leur apparition: la production d un béton aussi dense et exempt de fissures que possible. le recouvrement de la fente entre la surface du béton et la peau de coffrage lors du bétonnage des parements et des dalles pour les protéger vis-à-vis des infiltrations de l eau de pluie. l évacuation des eaux de pluie. éviter le décoffrage des parements pendant des épisodes pluvieux ou immédiatement après. effectuer une cure avec des films plastiques, à condition que ces derniers ne touchent pas la surface du béton afin d éviter que l eau de condensation ne puisse pas être absorbée par le béton. éviter par principe les mesures de cure basées sur un apport d eau. la protection des surfaces verticales ou inclinées du béton jeune vis-à-vis des écoulements d eau. Recouvrement des couronnements de murs. Ne pas superposer directement les produits en béton et les éléments préfabriqués pendant les premiers jours. l utilisation de ciments contenant des constituants hydrauliques latents ou pouzzolaniques. Ceux-ci réduisent la teneur en hydroxyde de calcium, respectivement lient une partie de l hydroxyde de calcium dans leurs phases hydratées insolubles et réduisent la perméabilité du béton. Les ciments Modero, Robusto et Optimo se prêtent particulièrement bien à cet emploi. l application d un traitement hydrofuge ou d une imprégnation transparente de la surface en béton. Si les efflorescences n apparaissent que localement, il est possible de les éliminer par un brossage à sec à l aide d un morceau de verre cellulaire ou, sous la direction d un spécialiste et en respectant soigneusement les indications du fabricant, de les traiter avec des produits spéciaux acides, comme p. ex. l acide aminosulfonique dilué ou l acide Holcim guide pratique du béton 251

397 8. Dégradations du béton 8.3 Efflorescences Fig : Concrétions calcaires le long d une fissure. Concrétions calcaires Causes En cas de percolations continues de l eau à travers les fissures et les joints non étanches ou un béton très poreux, de grandes quantités d hydroxyde de calcium peuvent être lessivés de la pâte de ciment. En arrivant à la surface du béton, il forme alors des dépôts et encroûtements massifs, appelés des concrétions calcaires (fig ). Mesures préventives Les mêmes mesures préventives préconnisées pour les efflorescences calcaires s appliquent aux concrétions calcaires. La première et indispensable mesure est d éliminer le suintement d eau à travers les fissures, les joints non étanches ou une structure poreuse, en faisant recours à des injections ou à des traitements hydrofuges. Coloration brune des produits en béton Causes Les colorations brunes, souvent aussi appelées colorations jaunes, représentent une forme spéciale, plus rare, d efflorescence calcaire. Ces colorations résultent des processus de dissolution, le plus souvent des composés de fer solubles et oxydables en combinaison avec des efflorescences calcaires. Les composés de fer solubles cheminent à travers le système de pores jusqu à la surface du béton, où ils s oxydent. Ils peuvent, même en très faibles concentrations, créer des colorations jaunes à brunes bien visibles. Les composés de fer peuvent provenir de l eau de gâchage, du sable, des additions ou du ciment. Un test spécifique permet de déterminer le potentiel de coloration brune des ciments. Cet essai consiste à simuler des efflorescences de telle manière à ce que les substances efflorescentes et colorantes soient transportées à la surface de l échantillon (fig ). Ces efflorescences apparaissent avec une rapidité variable en fonction du système de pores et des influences météorologiques. Elles peuvent se faire remarquer seulement après plusieurs années d exposition aux intempéries ou dans de rares cas, sur des produits de béton de jeune âge. Elles ne peuvent pas être éliminées et il est important de ne pas les confondre avec des traces de rouille. Les colorations brunes apparaissent le plus souvent sur des produits, comme des éléments en béton d une consistance terre humide, par exemple. Ces bétons ont une structure très poreuse avec de nombreux vides de compactage et de ce fait un pouvoir plus élevé d absorption d eau et d évaporation. Les colorations se forment fréquemment sous des conditions estivales, lorsque les périodes d humidification et de séchage s alternent. Fig : Test de coloration brune du ciment: échantillon sans potentiel de coloration brune (à gauche) et échantillon avec potentiel de coloration brune (à droite). Mesures préventives Le potentiel de coloration peut être réduit à l aide de mesures liées à la technologie du béton. Une optimisation de la granularité du granulat et l utilisation des ciments composés, comme p. ex. l Optimo 4 ou le Robusto 4R-S, améliorent la compactibilité du béton et diminuent la porosité, respectivement l humidification du béton. De cette manière, la mise en solution et le transport des composés de fer à la surface du béton sont freinés. Si l évaporation est entravée, aucune coloration brune ne survient. 252 Holcim guide pratique du béton

398 8.4 Fissures Introduction Généralités Des fissures peuvent se développer dans le béton frais suite à une diminution brusque du volume de la zone superficielle du béton par la dessiccation. Ce dessèchement rapide est favorisé par une faible humidité de l air, le vent, l ensoleillement et des températures défavorables. Par contre après la prise, dans le béton à jeune âge, des fissures se forment lorsque la résistance à la traction est dépassée par les tensions de traction résultant des autocontraintes et des contraintes imposées, ainsi que des contraintes induites par des charges externes. Malgré sa haute résistance à la compression, le béton ne possède qu une très faible résistance à la traction, de l ordre de 2 à 3 N/mm 2. Dans un élément soumis à une contrainte de traction ou de flexion, le béton reprend les contraintes de compression, et l armature celles de traction. Une fois fissuré, le béton peut transmettre des contraintes significatives à l acier d armature. Les ouvertures des fissures doivent être limitées afin de ne pas entamer la durabilité, l étanchéité et l apparence de l ouvrage. Les exigences relatives à la fissuration, notamment l ouverture admissible des fissures, sont à définir dans les documents contractuels avant l exécution des travaux entre les parties. La limitation de la fissuration joue un rôle essentiel dans le projet, pour la définition du taux d armature et des étapes de bétonnage et, de ce fait, aussi vis-à-vis des coûts de la construction. Aptitude au service Durabilité Les fissures représentent des points faibles dans la structure du béton. Les substances corrosives, néfastes pour le béton et l armature pénètrent selon l épaisseur et la profondeur des fissures plus ou moins rapidement dans le béton. Pour assurer la durabilité de l ouvrage, les épaisseurs maximales des fissures admissibles pour les classes d exposition XC et XD figurent au tableau Classes d exposition (CH) XC1, XC2 0.4 à 0.6 XC3, XC4 0.3 à 0.4 XD1, XD2a 0.3 à 0.4 XD2b, XD3 0.2 à 0.3 Epaisseurs maximales des fissures [mm] Apparence Les fissures avec des ouvertures > 0.5 mm sont visibles, même à une distance d observation importante (> 5 m) de l élément de construction, et sont le plus souvent perçues comme gênantes. La limitation de l ouverture des fissures selon des critères esthétiques dépend directement de la distance d observation, de l éclairage, de la texture de la surface et du niveau d exigence de l observateur. La figure offre une évaluation de l ouverture des fissures en fonction du niveau d exigence esthétique et de la distance d observation (voir chapitre 7.1). Ouverture de fissure w [mm] Niveau d exigence esthétique fissure faible fissures non reconnaissables Distance d observation [m] w α α élevé très élevé Tab : Epaisseurs maximales des fissures admissibles pour les classes d exposition XC et XD. Fig : Evaluation de l ouverture des fissures en fonction du niveau d exigence esthétique et de la distance d observation. observateur a α = w a Holcim guide pratique du béton 253

399 8. Dégradations du béton 8.4 Fissures 8. Dégradations du béton 8.4 Fissures Typologie apparente Le tableau récapitule les types de fissures les plus importants et leur typologie apparente avec une courte description dans l ordre de leur apparition au cours du temps dans l ouvrage. Les points suivants sont essentiels pour la caractérisation des fissures: le moment de la formation des fissures la largeur des fissures (ouverture et changements) la profondeur et le cheminement dans la structure du béton (p. ex. en forme de V) les mouvements le long des lèvres des fissures les venues d eau dans les fissures la coloration des bordures des fissures les dépôts dans ou le long des fissures Tab : Types de fissures et leurs typologies apparentes. Type de fissure Typologie apparente Description Fissures dans le béton d enrobage le long de l armature Fissures orientées perpendiculairement à la surface, au-dessus de l armature supérieure. Elles sont souvent disposées en un réseau orthogonal et combinées avec une cavité sous la barre d armature. Elles peuvent aussi apparaître au passage entre des zones à sections significativement différentes et résultent du tassement du béton frais. Fissures de surfaces horizontales (fissures en réseau) Vue de dessus Fissures peu profondes, discontinues, disposées irrégulièrement, en escalier, espacées de plusieurs décimètres, à ouverture variable, perpendiculaires à la surface d éléments de construction horizontaux. En général peu profondes, elles peuvent atteindre des profondeurs de 15 cm. Souvent elles longent le granulat avec un profil en V. Elles sont causées par le retrait précoce. Fissures de dessiccation Vue de dessus Fissures continues perpendiculaires à la surface avec une ouverture constante. Le cheminement des fissures est déterminé par la géométrie et les contraintes dans l élément de construction. La cause des fissures est la dessiccation du béton. Fissures traversantes Fissures, qui traversent toute la section, elle sont perpendiculaires à la direction de la contrainte d un élément de construction subissant une traction directe. Fissures de flexion Fissures non traversantes, limitées à la zone de traction d un élément de construction soumis à une flexion, en grande partie perpendiculaires au sens de la portée. Fissures de cisaillement Fissures parallèles à la surface (fissures en pelures d oignon) fissures parallèles fissures parallèles à la surface fissures en réseau microfissures Fissures obliques à l axe d une poutre (inclinaison env. 45 ). Ces fissures traversent, comme les fissures de flexion la zone de traction, et se terminent dans la zone de compression. Leur orientation dépend de la direction des contraintes principales de traction. Fissures parallèles à la surface. En cas de gel à quelques millimètres, en cas d attaque de sulfates et de RAG à quelques centimètres de distance de la surface. Elles peuvent aussi se former suite à des différences de température élevées entre le cœur et la bordure de l élément de construction, induites par la chaleur d hydratation. 254 Holcim guide pratique du béton

400 8.4.3 Causes et mesures préventives Généralités Les causes principales parmi les nombreuses raisons qui peuvent mener à une fissuration du béton sont résumées dans le tableau 8.4.3: Cause de la fissuration Béton frais Composition du béton, géométrie, conditions d environnement Béton durci Autocontraintes et contraintes imposées Charge Exposition Description tassement du béton frais, retrait précoce ou capillaire, bétonnage en pente dissipation de la chaleur d hydratation, retrait de dessiccation, température ou tassement différentiel charges permanentes et temporaires attaques du gel ou des sulfates, réaction alcalis-granulats, corrosion de l armature ciment, c.-à-d. juste après la mise en place et le compactage du béton. Dans des cas défavorables, le tassement peut atteindre 1 % de l épaisseur de l élément de construction. Puisque le béton au jeune âge ne possède qu une faible rigidité, il peut se fissurer au-dessus des décalages au niveau de la structure ou au droit des barres d armature, surtout si l épaisseur d enrobage est faible (fig ). Les fissures formées dans le béton frais peuvent être empêchées par un compactage et un traitement ultérieur. Cette mesure n est cependant efficace que si elle est réalisée au bon moment, c.-à-d. avant le début de la prise. Mesures préventives La fissuration induite par le tassement du béton frais peut être évitée ou limitée par les mesures suivantes: le choix d une consistance du béton frais plus raide la diminution de la quantité d eau de gâchage l augmentation de la teneur en farines et utilisation d un ciment moulu plus finement, afin d élever le pouvoir de rétention d eau et de réduire le ressuage le bétonnage des éléments de construction massifs en plusieurs couches frais sur frais ou un bétonnage lent. Tab : Causes de la fissuration du béton en rapport avec les sollicitations. Les fissurations induites par des charges, des gradients de température et un tassement différentiel ne seront pas traités plus en détail (fig ). Fig : Réseau orthogonal de fissures de tassement. Fig : Fissures de tassement dans une culée de pont (indiquées par des flèches rouges). Les fissures induites par l attaque du gel ou des sulfates, par la réaction alcalis-granulats ainsi que par la corrosion de l armature seront traitées séparément dans les chapitres 8.5 et 8.7 à 8.9. Tassement du béton frais Causes Le tassement du béton frais est provoqué par la sédimentation des particules solides et la remontée simultanée de l eau à la surface sous l effet des différences de masse volumique (voir chapitre 8.3). Il se produit avant la prise du Holcim guide pratique du béton 255

401 8. Dégradations du béton 8.4 Fissures Fig : Evolution de la résistance à la traction du béton et de la tension de retrait. Retrait précoce ou capillaire Causes Par temps ou vent chaud (foehn), des fissures marquées peuvent apparaître pendant les premières heures après le bétonnage, en particulier dans les éléments de construction horizontaux de grande surface. Ces fissures caractérisées par leur répartition et leur moment de développement typiques (fissures de retrait précoce) sont causées par le retrait précoce ou capillaire avant la prise du béton (voir chapitre 3.9.2). Le développement des fissures peut être décrit en trois phases (fig ): Cohésion/ résistance à la traction fissure Retrait précoce Phase 1: béton plastique Phase 2: béton rigidifié Phase 3: développement de la résistance Tension de retrait Temps Retrait de dessiccation Les éléments de construction horizontaux (dalles et radiers) présentent des surfaces exposées à une forte évaporation et sont particulièrement menacées par le retrait précoce ou capillaire. Les fissures représentent non seulement une atteinte à l esthétique, mais aussi un affaiblissement de la résistance au gel. De plus, la perte d eau peut affecter une hydratation suffisante du ciment à la surface du béton, lequel subit une diminution de résistance, montre une porosité élevée et une tendance au sablage. Dans des conditions sévères, un tel béton ne possède pas de durabilité suffisante. Mesures préventives Plus le taux d évaporation à la surface est élevé, plus grand le risque de fissuration dû au retrait sera précoce. Ce risque est augmenté par le vent, les températures élevées et une faible humidité relative de l air. La mesure préventive la plus importante est une cure immédiate et adéquate, telle qu elle est décrite aux chapitres 3.6 et 4.4. Il est recommandé de réaliser également une cure intermédiaire. Phase 1: béton plastique: Le béton fraîchement mis en place et compacté libère de l eau par le ressuage. Il apparaît alors à la surface du béton une pellicule d eau. Cette pellicule d eau s amincit par évaporation. Dès que la pellicule d eau disparait, c.-à-d. lorsque la surface commence à sécher, les espaces remplis d eau dans le béton frais commencent également à se vider. Il se crée alors des tensions capillaires, aussi appelées tensions de retrait. Le béton frais se contracte en adoptant une structure plus dense. La perte d eau s accompagne d une diminution de volume par le tassement du béton encore plastique. Phase 2: béton rigidifié: Les tensions capillaires sont inoffensives tant que le béton reste dans sa phase plastique. En se rigidifiant, la déformabilité plastique du béton se perd et les tensions de retrait peuvent dépasser la résistance à la traction du béton. De grandes fissures, en partie traversantes peuvent apparaître. Phase 3: béton durci: A la fin de la prise, le développement de la résistance du béton commence, accompagnée du retrait lié à la dessiccation progressive du béton. Les fissures de retrait précoce se distinguent par leur ouverture, leur profondeur et leur cheminement, comparées aux fissures de retrait de dessiccation. Ces dernières se forment dans le béton durci. Au lieu de se caractériser par un réseau de fissures, elle sont singulières et longues, et se développent souvent à partir des angles et des réservations. En général, les fissures de retrait précoce sont superficielles. Elles peuvent malgré tout présenter des ouvertures de 1 à 2 mm et au pire traverser l élément de construction (fig ). Fig : Fissure profonde due au retrait précoce dans une carotte en béton. 256 Holcim guide pratique du béton

402 Dissipation de la chaleur d hydratation Causes Les fissures dues à la dissipation de la chaleur d hydratation se forment pendant les premiers jours après le bétonnage, dès que les tensions induites par les autocontraintes et les contraintes imposées dépassent la résistance à la traction du béton (voir fig ). Les éléments de béton en train de durcir peuvent être entravés dans leur déformation. Ceci dépend du type de construction, du raccord aux éléments de construction préexistants déjà durcis, des dimensions et du déroulement du chantier. Il en résulte un risque de fissuration (tab ). Les fissures dues à la chaleur d hydratation dissipée sont surtout observées dans des éléments de construction massifs d une épaisseur supérieure à 50 cm. Pour la plupart des éléments de dalles ou de mur de bâtiment, le risque de ce type de fissuration est négligeable. Mesures préventives Les fissures dues à la dissipation de la chaleur d hydratation peuvent être évitées ou limitées par des mesures de technologie du béton et des mesures supplémentaires. Mesures liées à la technologie du béton: Les mesures liées à la technologie du béton visent à réduire la température maximale T max et la différence de température T max (tab ). Il est recommandé de ne pas dépasser une température maximale Tmax de 60 C et de limiter la différence de température T max à 20 Kelvin. Mesures à prendre pour la réduction de la température maxima le T max : l utilisation d un ciment à faible chaleur d hydratation (LH) ou d une classe de résistance plus basse l utilisation d un ciment Portland composé ou la substitution du ciment par des additions réactives telle que la cendre volante la limitation de la température du béton frais (conservation du granulat à l ombre et arrosage avec de l eau, bétonnage tôt le matin) le stationnement des camions malaxeurs à l ombre et arrosage du tambour malaxeur avec de l eau le refroidissement du béton par l insertion de conduites permettant la circulation d eau froide (effet sur T max et T max si les serpentins de réfrigération sont disposés au cœur du béton) l abaissement de la température du béton frais dans le camion malaxeur par le refroidissement à l aide d azote Cause Typologie apparente Entrave à la déformation par l élément lui-même différence max. de la température T max dans la section de l élément fissures en pelure d oignon Tab : Entrave à la déformation et fissuration induite par la dissipation de la chaleur d hydratation. Mesures de limitation de la différence de température T max : éviter le décoffrage du béton au moment du pic de la température, afin d empêcher un choc thermique (refroidissement rapide de la surface du béton). Ceci est particulièrement important en cas de basses températures de l environnement immédiat ou d éléments de construction massifs. Utilisation de nattes isolantes. De cette manière, les différences de température dans l élément de construction diminuent et la baisse de la température est ralentie. Les contraintes surviennent plus tard lorsque la résistance à la traction est déjà plus développée. Il peut être judicieux d attendre la culmination de la température (1 à 2 jours) avant de poser des nattes isolantes sur des éléments de construction massifs. Mesures supplémentaires: Les mesures supplémentaires servent à prévenir la fissuration par une réduction du degré d entrave à la déformation et de délimiter l ouverture des fissures si une certaine fissuration est tolérée. Ces mesures sont identiques à celles recommandées pour réduire le retrait et sont traitées plus en détail dans le chapitre suivant «retrait». Retrait Causes Si le retrait endogène et le retrait de dessiccation sont entravés ou si le retrait de dessiccation ne se développe pas de façon régulière sur toute la section de l élément de construction, des contraintes de traction apparaissent et peuvent conduire à une fissuration (voir chap ). Le développement des fissures dépend fortement de la géométrie et du degré d entrave de l élément de construction. L ouverture et la répartition des fissures sont déterminées par des aspects géométriques et l armature. Mesures préventives Les fissures de retrait peuvent être évitées ou limitées par des mesures de technologie du béton. Entrave à la déformation par des éléments préexistants voisins température maximale du béton T max fissures de séparation traversantes Holcim guide pratique du béton 257

403 8. Dégradations du béton 8.4 Fissures Mesures de technologie du béton: le choix d une courbe granulométrique continue, afin d améliorer le degré de compactage et de réduire la demande en eau du granulat la réduction de la teneur en eau par l emploi de fluidifiants l utilisation de produits réducteurs de retrait une cure soignée au moment opportun Mesures supplémentaires: éviter des accrochages avec le terrain en prévoyant une couche de glissement p. ex. faite de sable ou d une feuille doublée (fig ) l absorption des contraintes aux angles saillants et aux ouvertures par une armature supplémentaire (fig ) la délimitation de la fissuration à l aide de joints. La disposition des joints dépend de nombreux facteurs, p. ex. le type de substrat du terrain, les mouvements prévus des éléments de construction, le déroulement du chantier et l ordre des étapes de bétonnage, le terrain de fondation sous l élément, l armature et le développement de la chaleur d hydratation du béton la planification des joints de clavage (fig et fig ). Il s agit d une mesure très efficace également en cas de dissipation de la chaleur d hydratation pendant un intervalle de temps de 5 à 15 jours. la planification méticuleuse des étapes de bétonnage. Le nombre et les délais entre les différentes étapes de construction doivent être réduits le plus possible, afin de minimiser les déformations de retrait différentielles des étapes voisines qui s entravent mutuellement. la limitation des ouvertures des fissures par la pose d une armature minimale pour une meilleure répartition des fissures (des fissures fines, mais réparties dans tout l élément de béton affectent moins la durabilité du béton et sont, en règle générale, mieux tolérées que quelques grandes fissures isolées) Fig : Fissuration d une dalle en béton au pied d un pilier induite par des contraintes en fond d entaille (en haut), armature supplémentaire pour prévenir la fissuration (en bas). Fig : Disposition d une couche de glissement sous une dalle de radier afin de réduire le frottement avec le terrain. dalle en béton couche de glissement terrain Fig : Joint de clavage durant la construction d un grand bâtiment. 258 Holcim guide pratique du béton

404 a) b) Fig : Etapes de bétonnage d un mur de soutènement (élévation) a) Solution défavorable: risque de fissuration élevée. brêche de clavage b) Solution favorable: faible risque de fissuration <2h Risque de fissuration Cause de fissuration Moment d apparition Composition du béton Tassement du béton frais Efficacité des mesures Cure Armature avant le début de prise très élevée néant néant Tab : Efficacité des différentes mesures visant à réduire le risque de fissuration. Retrait précoce ou capillaire Dissipation de la chaleur d hydratation Retrait de dessiccation avant et pendant le début de prise après la culmination de la température (3 à 10 jours après le bétonnage) quelques semaines à quelques années après le bétonnage moyenne très élevée néant très élevée très élevée moyenne élevée élevée très élevée Tassement du terrain pendant la durée de service néant néant très élevée RAG Sulfates normalement au plus tôt après 10 à 15 ans pendant la durée de service (selon le béton) très élevée néant moyenne très élevée moyenne néant Holcim guide pratique du béton 259

405 8. Dégradations du béton 8.5 Dégradations dues au gel/dégel en l absence ou en présence de sels de déverglaçage 8.5 Dégradations dues au gel/dégel en l absence ou en présence de sels de déverglaçage Introduction Les dégradations par les attaques de gel/dégel en l absence ou en présence de sels de déverglaçage affectent non seulement l apparence, mais également la durabilité du béton d enrobage. Les dégâts de gel/dégel en l absence ou en présence de sels de déverglaçage peuvent mener à d autres dégradations ultérieures, comme p. ex. la corrosion de l armature, une abrasion et une érosion accrue de la surface du béton Typologie apparente Généralités Les dégâts de gel/dégel en l absence ou en présence de sels de déverglaçage apparaissent, en règle générale, durant les premières périodes hivernales après le bétonnage. Elles se présentent sous forme de dégradations superficielles et internes de la microstructure: un sablage et un écaillage de la surface du béton des décollements ponctuels au-dessus des granulats non résistants au gel, des arêtes cassées et des fissures des décollements de grande surface des fissures dans la pâte de ciment Il est possible d évaluer visuellement les dégradations superficielles. Par contre, les dégradations internes microstructurales sont examinées, p. ex. dans des carottes de forage, par l analyse microscopique ou à l aide des mesures du module d élasticité (perte du module d élasticité). Décollements ponctuels, arêtes cassées Un décollement ponctuel à la surface, appelé «pop-out», résulte généralement de la présence d un granulat gélif sous-jacent. Ces granulats sont souvent très poreux et absorbent de l eau. Les granulats argileux subissent de plus un gonflement. L altération du granulat provoque un décollement en forme de cratère de la pâte de ciment recouvrant le grain (fig ). Les exigences à l égard des granulats sont définies dans les normes SN EN et SN (voir chapitre 6.2). Décollements de grande surface et fissures Des décollements plus profonds et des fissures conduisent au détachement de granulats et de fragments de pâte de ciment proches de la surface en cas de résistance au gel/sel insuffisante, voire mauvaise, du béton (fig ). Selon le degré de saturation de la pâte de ciment, les tensions s y développant conduisent à une microfissuration. Au cours de la dégradation progressive par des cycles répétés de gel/dégel, la saturation en eau et les contraintes résultantes augmentent au fur et à mesure et aggravent l intensité de l attaque (voir fig ). Evaluation visuelle de la résistance au gel et aux sels de déverglaçage La figure donne des exemples de résistances au gel et aux sels de déverglaçage variables selon trois catégories élevée, moyenne et insuffisante pour des surfaces de béton d un âge supérieur à 10 ans. Sablage et écaillage de la surface L altération superficielle sous forme d un sablage ou d un écaillage est le type de dégradation due au gel le plus souvent observé. En combinaison avec des sels de déverglaçage, l altération s intensifie considérablement (fig ). Fig : Dégradation sous forme de «pop-out» au-dessus d un granulat non résistant au gel. 260 Holcim guide pratique du béton

406 Fig : Décollements profonds et de grande surface d un élément de bordure de trottoir. Fig : Photo microscopique des dégradations microstructurales internes du béton sous forme de fissures de décollement le long des granulats. Fig : Exemples de résistances variables au gel/dégel en présence de sels de déverglaçage pour des surfaces de béton d un âge supérieur à 10 ans. Résistance gel/sel élevée: sans altération de la peau de ciment sans décollements sans fissures visibles Résistance gel/sel moyenne: altération de la peau de ciment par un léger sablage et écaillage de la surface sans décollements sans fissures visibles Résistance gel/sel insuffisante: peau de ciment complètement érodée décollements et arêtes cassées fissures visibles Causes et mesures préventives Attaque par le gel Pendant la transformation, sous l effet du gel, de l eau en glace dans la pâte de ciment poreuse, différents phénomènes ayant une influence décisive sur la résistance au gel se produisent: de pores contenus dans la pâte de ciment n offre pas assez d espace d expansion volumique sous forme de pores accessibles et vides, une contrainte interne de compression se crée. Cette contrainte provoque la fissuration du béton dès que sa résistance à la traction est dépassée (fig ). augmentation du volume de l eau abaissement du point de congélation de l eau dans les petits pores processus de diffusion de l eau dans la pâte de ciment poreuse Tous ces processus dépendent du type et de la quantité des pores, respectivement de la distribution des diamètres de pores. La dégradation du béton par le gel est caractérisée par des mécanismes de destruction complexes. Eau Augmentation volumique pendant la congélation +9% Glace Fissuration Fig : Effet de l augmentation de volume lors de la congélation de l eau. Augmentation du volume de l eau La transition de phase entre l eau et la glace s accompagne d une augmentation volumique de 9 % à cause de l anomalie de masse volumique spécifique à l eau. Si le système Holcim guide pratique du béton 261

407 8. Dégradations du béton 8.5 Dégradations dues au gel/dégel en l absence ou en présence de sels de déverglaçage Tab : Degré de saturation des pores et point de congélation de la solution interstitielle des pores en fonction du type de pores. Type de pore Diamètre de pore Degré de saturation des pores* Point de congélation Pores de compactage > 1 mm vides Pores d air entraînés artificiellement Pores capillaires 30 μm à 300 μm 30 nm à 30 μm vides ne se remplissent pas par absorption capillaire partiellement remplis par condensation et pratiquement complètement remplis par absorption capillaire 0 à 20 C Pores de gel < 30 nm complètement remplis par condensation 20 C à 90 C * état sous des conditions réalistes, c.-à-d. une humidité relative de l air de %. Abaissement du point de congélation dans les petits pores Si le béton était complètement saturé en eau, sa structure devrait être détruite lors du premier cycle de gel. Cependant l expérience pratique montre que les bétons d une qualité suffisante ne montrent des dégradations qu après de nombreux cycles de gel/dégel, même s ils ont été saturés en eau auparavant. On observe dans le béton aucune congélation subite ou congélation omniprésente et simultanée. Le degré de saturation des pores et le point de congélation de l eau contenue dans les pores dépendent du diamètre des pores. Lorsque le diamètre des pores diminue, leur degré de saturation augmente et le point de congélation de la solution des pores s abaisse (tab ). De ce fait, l eau dans les pores capillaires se congèle d abord, tandis qu elle reste à l état liquide dans les pores de gel. Effet de pompage Les cycles de gel-dégel répétés donnent naissance à un effet de pompage qui mène à une saturation progressive du béton. L eau gèle d abord dans les plus grands pores. La pression de vapeur étant plus grande au-dessus de l eau qu au-dessus de la glace, l eau encore à l état liquide migre des pores capillaires vers les plus grands pores où elle gèle. On assiste donc à une vidange des pores capillaires et une accumulation de glace dans les plus grands pores. Attaque par le gel en présence de sels de déverglaçage Les sels de déverglaçage qui pénètrent dans le béton abaissent le point de congélation de la solution interstitielle des pores de telle manière que l eau gèle à des températures nettement inférieures à 0 C. Les sels de déverglaçage sont hygroscopiques, c.-à-d. qu ils absorbent l humidité de l air. Le degré de saturation du béton chargé en sels augmente et renforce, dans la zone superficielle du béton, le risque de dégradation. L emploi des sels de déverglaçage intensifie les mécanismes de dégradations physiques du gel par les phénomènes suivants: congélation par couches choc thermique Au moment de la fonte, la glace fond d abord à la surface du béton, tandis qu au cœur du béton le volume des pores est encore congelé. La zone de bordure du béton se dilate en se réchauffant et absorbe l eau de fonte par les pores capillaires vides. Au cycle de gel suivant le processus recommence. Fig : Le parapet supportant le racloir d un bassin d une station d épuration est fortement exposé aux attaques par le gel/dégel en présence de sels de déverglaçage. 262 Holcim guide pratique du béton

408 Congélation par couches Les sels de déverglaçage sont transportés sous l effet des intempéries (lessivage et saturation) vers l intérieur du béton. Les concentrations de sels sont souvent plus basses en surface que dans des zones plus profondes du béton. On observe à environ mm de profondeur une concentration maximale en sels. Dans cette zone, la température de congélation de la solution interstitielle des pores riches en sels est clairement plus basse qu en surface du béton (0 10 mm). Si la température du béton tombe en dessous de zéro degré, la solution interstitielle des pores proches de la surface gèle en premier, suivie de celle des zones profondes (20 30 mm). Par contre la couche intermédiaire, avec la plus haute concentration de sels, ne gèle qu en dernier. Pour cette raison, la solution interstitielle des pores de cette couche intermédiaire ne peut plus s échapper au moment de la congélation vers des zones voisines déjà gelées et des contraintes de compression induites par le gel se créent. Il en résulte une fissuration parallèle à la surface, engendrant des décollements superficiels (fig ). Choc thermique Le choc thermique survient quand la surface de béton congelée est traitée aux sels de déverglaçage. La chaleur de fusion de la glace est soutirée au béton sous-jacent, de manière à provoquer une chute des températures dans la zone proche de la surface du béton. La baisse subite de la température peut atteindre p. ex. jusqu à 14 Kelvin en 1 à 2 minutes, et induit des autocontraintes dans la structure du béton, qui dépassent la résistance à la traction du béton. Dommages créés par d autres agents de déverglaçage Le recours aux acétates et formiates (agents dégivrants) provoque une montée brusque du ph de la solution interstitielle des pores. Il en résulte une attaque de la pâte de ciment et du granulat analogue à une réaction alcalis-granulats. Mesures préventives Les dégradations dues au gel et aux sels de déverglaçage sont évitées au moyen des mesures liées à la technologie du béton et éventuellement des mesures supplémentaires (voir chapitre 6.2). Surface du béton couche congelée congélation ultérieure Profondeur [mm] T C Température (T) +T T B < T G T B > T G Profondeur [mm] 0 10 Concentration en sels Fig : Congélation par couches du béton sous l effet des sels de déverglaçage couche congelée 30 T B < T G température du béton (T B ) température du point de congélation (T G ) profil des teneurs en chlorures Holcim guide pratique du béton 263

409 8. Dégradations du béton 8. Dégradations du béton 8.6 Dégradations dues aux attaques chimiques dissolvantes 8.6 Dégradations dues aux attaques chimiques dissolvantes Introduction Une attaque chimique dissolvante intervient sous l effet d acides, de sels échangeurs d ions, d eau douce ou de bases fortes (tab ). L attaque dissolvante progresse de la surface vers l intérieur du béton. Les composants de la pâte de ciment et parfois du granulat sont dissouts par des substances pénétrantes puis lessivés (fig ). Dans la littérature, on retrouve souvent le terme de corrosion du béton pour désigner l attaque chimique dissolvante Typologie apparente Les dégradations par une attaque chimique dissolvante se caractérisent normalement par une érosion de la surface du béton (fig et 8.6.3). Fig : Attaque chimique dissolvante d un prisme de mortier. Le degré d attaque dépend du type, de la concentration et de la quantité des fluides chimiquement agressifs et de la solubilité, notamment du taux de lessivage des sels produits dans le béton. L évolution des dégradations dépend donc de la porosité du béton qui détermine l infiltration des fluides agressifs et le lessivage de la pâte de ciment. Le degré d attaque est aussi influencé par la température et la vitesse d écoulement des solutions agressives. Fig : Erosion de la surface du béton d un bassin de station d épuration. 30 mm 0 mm 0.5 mm 1 mm 2 mm 4 mm EG 0 EG 1 EG 2 EG 3 EG 4 EG 0 1 EG 1 2 EG 2 3 EG 3 4 Fig : Attaque de la surface d un bassin de décantation. (Source: Betonsuisse Marketing AG, Bern). 264 Holcim guide pratique du béton

410 Type d attaque Substance agressive pour le béton Provenance Effet Acides organiques et minéraux faibles acides organiques: acide tannique, acide acétique, acide lactique, acides gras, acide formique, acide humique, phénols éthanol industrie, industrie alimentaire, agriculture, sols, tourbières huiles lourdes et moyennement lourdes issues de la distillation des composés bitumineux biocarburants dissolution des composés calciques de la pâte de ciment Tab : Aperçu des types d attaques chimiques dissolvantes. acides minéraux: gaz carbonique, acide sulfureux industrie, eaux phréatiques, pluie acide, canalisations Acides minéraux forts acide chlorhydrique, acide sulfurique, acide nitrique industrie, agriculture (ensilage) dissolution de tous les composants de la pâte de ciment et des carbonates dans le granulat acides aminés champignons, lichens, algues saponification de l hydroxyde calcium de la pâte de ciment Acides biogènes produits métaboliques (acides forts) bactéries dans les eaux usées, canalisations, stations d épuration dissolution de tous les composants de la pâte de ciment et des carbonates dans le granulat Sels échangeurs d ions solutions de sels de magnésium et d ammonium eaux phréatiques minéralisées, industrie, agriculture, stations d épuration réaction avec l hydroxyde de calcium et formation de sels de calcium très solubles Eaux douces eau < 7 fh (degrés français) eaux de pluie, eaux de surface, eaux de fonte dissolution et lessivage des composés calciques de la pâte de ciment Bases fortes solutions concentrées de bases fortes (potasse et soude caustique) acétate, formiate industrie chimique dégivrants pour avions dissolution des aluminates dans la pâte de ciment et des silicates et de la silice dans le granulat Causes et mesures préventives Acides L attaque par des acides conduit à la dissolution des phases hydratées de la pâte de ciment et engendre la formation de sels solubles de Ca, Al et Fe ainsi que la dissolution de la silice. Le degré d agressivité dépend de la concentration de l acide mais surtout de la valeur du ph. L attaque touche surtout la pâte de ciment, mais, lors d une attaque par un acide fort, le granulat soluble à l acide est aussi dissout. Les phases hydratées de la pâte de ciment sont dissoutes au contact des acides et il se forme une zone de lixiviation, d où les produits de la dissolution (sels solubles de Ca, Al et Fe) sont lessivés et emportés. Un gel siliceux amorphe reste comme résidu insoluble. Ces résidus insolubles créent une pellicule de protection à la surface du béton empêchant que la solution agressive, qui doit diffuser à travers cette couche de gel protectrice, n entre en contact direct avec le béton encore intact. Derrière celle-ci se trouve la zone de lixiviation, caractérisée par un appauvrissement en hydroxyde de calcium, c.-à-d. par une plus faible valeur ph de la solution interstitielle des pores que celle du béton encore intact. Le front de réaction proprement dit se situe dans la zone de lixiviation entre la couche de gel et le béton intact. Avec le temps, le processus se ralentit parce que la couche de protection devient plus épaisse. Si la couche protectrice est détruite ou enlevée par un nettoyage, le front d attaque pénètre alors plus profondément dans le béton. Holcim guide pratique du béton 265

411 8. Dégradations du béton 8.6 Dégradations dues aux attaques chimiques dissolvantes Fig : Photo microscopique d une couche protectrice de résidus amorphes insolubles à la surface du béton. Acide sulfurique biogène L acide sulfhydrique (H 2 S) peut se former, p. ex. au-dessus des eaux usées dans les canalisations ou dans le compartiment de gaz des installations de production de biogaz, par décomposition bactérienne des protéines en l absence d oxygène. Si celui-ci n est pas évacué par ventilation, il se condense sur les surfaces froides et peut se transformer sous l action des microorganismes en acide sulfurique, fortement agressif. 1 mm bactéries H 2 S Gaz carbonique Le gaz carbonique est un acide faible que l on rencontre dans les eaux de montagne et la nappe phréatique. L agressivité des eaux contenant du gaz carbonique dépend en partie de la valeur du ph et principalement de leur composition. Dans l eau règne un équilibre entre le carbonate d hydrogène de calcium (bicarbonate de calcium) et le gaz carbonique dit d équilibre, nécessaire au maintien en solution des carbonates. La part libre de gaz carbonique, c.-à-d. qui n est pas nécessaire pour équilibrer le bicarbonate, est appelée gaz carbonique agressif car elle est capable de dissoudre plus de calcaire. L équilibre entre le gaz carbonique et des bicarbonates est régi par la teneur en gaz carbonique libre, la température, la dureté de l eau ainsi que la concentration en ions d hydrogène et en autres ions. L eau dure a besoin d une teneur plus élevée en gaz carbonique pour avoir un effet dissolvant vis-à-vis du calcaire. De ce fait, le risque d une attaque par gaz carbonique agressif est plus important dans le cas des eaux douces. Acides biogènes Pour se développer, les microorganismes ont besoin de substances organiques et inorganiques de compositions variables et, selon le type, de certaines conditions de ph. L énergie nécessaire à la vie vient de la lumière du soleil, des substances organiques et des composés inorganiques oxydables ou réductibles. La plupart des microorganismes produisent, par leur métabolisme, des acides organiques ou inorganiques qui peuvent attaquer la pâte de ciment. Dans les bassins d activation biologique des stations d épuration communales se développe sur les murs en béton une couche gélatineuse bactérienne (biofilm). Selon la teneur en oxygène de l air, la composition de l eau usée et les processus de dénitrification, des valeurs de ph très basses peuvent s installer par la nitrification dans ce biofilm. Ceci conduit à une attaque acide de la surface du béton. Fig : Corrosion d un tube de canalisation par attaque d acide sulfurique biogène. Sels échangeurs d ions Les solutions aqueuses de sels de magnésium et d ammonium (à l exception des carbonates hydrogènes, des oxalates et des fluorures de magnésium et d ammonium) ont un effet dissolvant sur le béton. Le calcium de l hydroxyde de calcium de la pâte de ciment est échangé avec les ions magnésium ou ammonium de façon à ce qu il se forme un sel de calcium très facilement soluble qui peut être lessivé hors du béton. Chlorures de magnésium MgCl 2 + Ca(OH) 2 CaCl 2 + Mg(OH) 2 chlorure de magnésium + hydroxyde de calcium chlorure de calcium + hydroxyde de magnésium Eq L hydroxyde de magnésium forme une masse gélatineuse et molle qui constitue une couche protectrice contre une attaque continue. Elle est efficace tant qu elle n est pas enlevée par l eau courante. 266 Holcim guide pratique du béton

412 Chlorures d ammonium 2 NH 4 Cl + Ca(OH) 2 CaCl NH H 2 O chlorure d ammonium + hydroxyde de calcium chlorure de calcium + ammoniaque + eau Eq Les sels d ammonium se décomposent en ammoniaque volatile dans un milieu alcalin et aucune couche protectrice ne peut donc se former. L attaque continue de manière inchangée. Eaux douces Les eaux de fonte, de pluie, de surface et de source ne contiennent que peu de sels de calcium et de magnésium dissouts. Les eaux dites douces, d une dureté plus faible que 7 fh, sont peu ou faiblement minéralisées. Elles sont capables de dissoudre de l hydroxyde de calcium et des alcalins de la pâte de ciment. D autres ions présents dans l eau peuvent influencer la vitesse de dissolution de l hydroxyde de calcium. Les composés alcalins de la pâte de ciment ne sont stables qu à des valeurs du ph > 12.5 et peuvent se décomposer à un niveau de ph entre L hydroxyde de calcium, présent dans le béton comme produit d hydratation du ciment sous forme solide ou dissoute, est lessivé par de l eau douce. Simultanément, l hydratation du ciment avance et il se forme de nouveau de l hydroxyde de calcium. Dès que le ciment est complètement hydraté et qu il ne peut plus se former d hydroxyde de calcium, la valeur du ph descend en dessous de Les phases hydratées du ciment deviennent alors instables et se décomposent. Sous une action continue d eau douce, la pâte de ciment est lessivée. Fig : Carte des degrés de dureté de l eau en Suisse. Echelle: blanc: 0 15 fh, jaune: fh, rouge: > 25 fh. (Source: Bases fortes La pâte de ciment n est pas attaquée par des solutions basiques en faible concentration. Par contre, les bases fortes, en haute concentration, comme p. ex. la soude caustique (> 10 %) ou la potasse caustique (> 20 %) dissolvent les aluminates de la pâte de ciment. Les solutions concentrées de bases fortes peuvent aussi attaquer des granulats silicatés ou siliceux. Fig : Vue de l intérieur d un réservoir d eau potable. Mesures préventives Les dégradations dues aux attaques chimiques dissolvantes peuvent être empêchées par des mesures de la technologie du béton, renforcées le cas échéant par des mesures supplémentaires (voir chapitre 6.3). Holcim guide pratique du béton 267

413 8. Dégradations du béton 8.7 Dégradations dues aux attaques par des sulfates 8.7 Dégradations dues aux attaques par des sulfates Introduction L attaque du béton par des sulfates du béton est un phénomène complexe, mettant en jeu des processus autant chimiques que physiques. Elle peut avoir un effet gonflant ou dissolvant. L attaque gonflante des sulfates provoque une expansion du béton (fig ). Selon l origine des sulfates, on distingue les attaques de sulfates internes des attaques externes (tab ). Fig : Expansion d une éprouvette par attaque gonflante de sulfates. Tab : Aperçu des différentes formes d attaques du béton par des sulfates. Type d attaque Substance nocive pour le béton Occurrence Effet de l attaque Attaque par des sulfates externes, gonflante solutions de sulfates nappe phréatique, sols réaction des sulfates dissous avec les phases C 3 A de la pâte de ciment, formant de l ettringite, accompagnée d une augmentation volumique, et d autres phases de sulfates Attaque par des sulfates externes, dissolvante solutions de sulfates nappe phréatique, sols réaction des sulfates dissous avec les phases CSH de la pâte de ciment, formant de la thaumasite, accompagnée d un effet dissolvant Attaque par des sulfates internes, gonflante sulfates, sulfures (gypse, anhydrite, pyrite, pyrrhotine) phases minérales sulfatées dans la pâte de ciment granulat, impuretés dans le granulat ou eau de gâchage béton exposé à de hautes températures pendant le durcissement (chaleur d hydratation élevée, traitement thermique) réaction des sulfates dissous avec les phases C 3 A de la pâte de ciment, formant de l ettringite, accompagnée d une augmentation volumique transformation du monosulfate et -carbonate en ettringite dans la pâte de ciment durcie, accompagnée d une augmentation volumique 268 Holcim guide pratique du béton

414 8.7.2 Typologie apparente Les attaques par des sulfates produisent les dégradations typiques suivantes: Fig : Colorations et sablage de la surface du béton. précipitation de sulfates et sablage de la surface fissuration et décollements de la surface fissures dans la masse de la structure du béton destruction complète du béton Précipitation de sulfates et sablage de la surface Les solutions de sulfates pénétrant depuis l extérieur jusqu au cœur du béton réagissent avec la pâte de ciment. La formation des sulfates s accompagne d une pression de cristallisation qui mène à un éclatement de la microstructure. A la surface du béton, ceci se traduit par un écaillage et un sablage accompagnés d efflorescences et de colorations blanchâtres ou jaune-brunâtres (fig ). Fig : Fissures et éclatements en surface du béto. Fissuration et décollements de la surface L avancement de la dégradation est lié à une fissuration progressive de la surface du béton. Le front de réaction migre au cours du temps profondément vers l intérieur du béton. Il en résulte une fissuration caractéristique en réseau et en pelure d oignon, provoquant des éclatements du béton (fig ). Fissures au sein de la structure du béton La formation d ettringite crée à une expansion de la pâte de ciment, qui se décolle du granulat. La structure du béton montre un réseau caractéristique de fissures et de décollements qui détruit complètement le béton (fig ). Destruction complète du béton La formation de thaumasite, créée principalement sous de basses températures, s accompagne d une transformation de la pâte de ciment durcie en une masse molle semblable à une «purée» très friable (fig ). Fig : Fissures de décollement entre la pâte de ciment et le granulat. Fig : Destruction complète du béton d un pieu déterré. Holcim guide pratique du béton 269

415 8. Dégradations du béton 8.7 Dégradations dues aux attaques par des sulfates Causes et mesures préventives Attaque par des sulfates externes Dans le cas d une attaque par des sulfates externes, les sulfates peuvent provenir de différentes sources, comme p. ex. de la nappe phréatique et des sols. Les dégâts de sulfates résultants sont très variables dans leur développement et sont classés en trois types de réaction: la formation d ettringite secondaire la formation de gypse la formation de thaumasite Formation d ettringite secondaire Au contraire de la formation d ettringite primaire, inoffensive, qui a lieu pendant le durcissement du béton frais, la cristallisation d ettringite secondaire a un effet de dégradation. Elle correspond à la réaction des phases d aluminates de la pâte de ciment durcie, comme p. ex. C 3 A, C 4 AF, monosulfate et -carbonate avec les infiltrations de solutions de sulfates dans le béton. La cristallisation de l ettringite s accompagne d une augmentation du volume correspondant à 8 fois le volume des phases originales de la réaction. La réaction conduit donc, dans un premier temps, à une densification de la microstructure du béton et à une montée de la résistance à la compression. Ensuite, la pression de cristallisation provoque une fissuration du béton. Les facteurs importants contribuant à la formation d ettringite secondaire lors d une attaque par des sulfates externes sont: Si des solutions de sulfates de magnésium pénètrent dans le béton, il se forme en plus du gypse et de l ettringite secondaire, de la brucite (Mg(OH) 2 ). La cristallisation de la brucite renforce l effet gonflant de l attaque des sulfates. En outre, elle provoque une baisse de la valeur du ph de manière à déstabiliser les phases CSH de la pâte de ciment. De ce fait, l effet gonflant peut être renforcé par une attaque chimique dissolvante. Formation de Thaumasite La thaumasite est un composé de sulfate, carbonate et silicate de calcium hydraté (CaSiO 3 CaSO 4 CaCO 3 15 H 2 O) qui se forme par réaction des ions sulfates avec les phases CSH de la pâte de ciment en présence de carbonates de calcium (granulat, filler calcaire, pâte de ciment carbonatée) et le silicate de calcium (pâte de ciment). Au contraire de la formation de l ettringite ou du gypse, la réaction n est accompagnée que d un faible gonflement et mène surtout à la transformation du béton en une sorte de masse ramollie. Les facteurs importants qui favorisent l apparition de la thaumasite sont: des températures le plus souvent inférieures à 15 C, de préférence entre environ 5 8 C un apport continu de solutions aqueuses de sulfates même en faible concentration la présence de carbonates de calcium la présence de silicates de calcium un degré différent d attaque des ions de sulfates, dans l ordre décroissant: MgSO 4, Na 2 SO 4, K 2 SO 4, CaSO 4 la résistance aux sulfates diminue lorsque la teneur en C 3 A du clinker de ciment Portland augmente une porosité capillaire élevée du béton favorise l infiltration des solutions de sulfates et affaiblit sa résistance aux sulfates Formation de gypse Une autre réaction expansive due aux sulfates est celle du gypse qui se développe dans le béton lorsque les concentrations en sulfates sont très élevées. Dans ce type de réaction à effet gonflant, l hydroxyde de calcium de la pâte de ciment réagit avec les ions sulfates de la solution s infiltrant dans le béton, et forme du gypse. L occurrence de la cristallisation expansive du gypse est favorisée par les facteurs suivants: une solution à haute concentration en sulfates un apport continu de solutions aqueuses de sulfates même en faible concentration des ciments à haute teneur en clinker Fig : Photo prise par microscopie électronique d un échantillon de béton ayant subi une dégradation par de la thaumasite. La pâte de ciment est détruite et est devenue poreuse («trous» sombres). Elle est remplacée en partie par des cristaux de thaumasite (reconnaissable par sa cristallisation en aiguilles claires). La destruction de la pâte de ciment conduit à la perte de la résistance du béton. 270 Holcim guide pratique du béton

416 Attaque par des sulfates internes Une attaque par des sulfates internes survient lorsque des sulfates sont déjà présents dans les composants du béton. Les constituants contenant des sulfates les plus fréquents sont les composés soufrés dans le granulat (anhydrite, gypse, pyrite) et le granulat de gravats mixtes contenant du plâtre ou une eau de gâchage à forte concentration en sulfates. La réaction est identique à celle décrite pour l attaque par des sulfates externes. Mesures préventives Les dégâts par des sulfates peuvent être évités par des mesures de technologie du béton et le cas échéant des mesures supplémentaires (voir chapitre 6.3). Pour la prévention de la formation retardée d ettringite, il faut veiller à limiter le développement de la chaleur dans le béton en voie de durcissement. Formation retardée d ettringite La formation retardée d ettringite intervient surtout dans des bétons d éléments préfabriqués, qui ont été soumis à un traitement thermique entre C, ou dans des éléments massifs de béton d une épaisseur supérieure à 80 cm. Sous des températures élevées (> 60 C) pendant le durcissement du béton, il se forme surtout des monosulfates et -carbonates au lieu de l ettringite. Dès que le béton est humidifié ultérieurement, ces monophases peuvent réagir de manière différée avec les sulfates disponibles dans la pâte de ciment et former de l ettringite. Les fissures de décollement le long des bordures du granulat sont caractéristiques de la formation retardée de l ettringite. L ouverture des fissures augmente avec le diamètre du granulat (fig et 8.7.8). granulat pâte de ciment Fig : Fissuration typique par formation retardée d ettringite. Fig : Dalle en béton fissurée suite à une formation retardée d ettringite. Holcim guide pratique du béton 271

417 8. Dégradations du béton 8. Dégradations du béton 8.8 Dégradations dues à la réaction alcalis-granulats 8.8 Dégradations dues à la réaction alcalis-granulats Fig : Conditions requises pour la réaction alcalis-granulats Introduction On désigne par Réaction-Alcalis-Granulats (RAG) la réaction du granulat avec les alcalis de la solution interstitielle des pores du béton. Les conditions requises pour cette réaction sont la combinaison d un granulat sensible aux alcalis, une teneur en alcalis suffisamment élevée et une humidité suffisante dans le béton (fig ). granulat alcali-réactif RAG humidité du béton Humidité Le développement de la RAG dépend surtout des conditions d humidité régnant dans l ouvrage. Elle progresse tant qu une humidité minimale et une teneur en alcalis suffisante sont présentes. L humidité minimale nécessaire dépend de la teneur en alcalis de la solution interstitielle des pores et se situe à environ % d humidité relative dans le béton. Dans les ouvrages massifs en béton (épaisseurs > cm), qui ne sèchent jamais complètement, l humidité propre est suffisamment élevée pour induire le développement de la RAG. Les infiltrations d eau dans le béton, accentuées par des fissures induites par des déformations de retrait entravées, le gel ou la corrosion favorisent le développement de la RAG dans le béton. alcalis, hydroxydes d alcalis (de la solution des pores ou d une source externe) Granulats alcalis-réactifs En Suisse, les roches qui se sont avérées le plus fréquemment réactives, sont des calcaires siliceux, calcaires gréseux, grès, grauwackes, gneiss, mylonites, quartzites et schistes. Ces types de roches se rencontrent presque dans tous les granulats suisses, en proportions variables Typologie apparente Dégradations visibles en surface En général, on observe sur l ouvrage des fissures en réseau caractéristiques, accompagnées d efflorescences blanches ou sombres (fig ). La surface du béton est parfois colorée en rose et les fissures sont bordées de liserés brunjaune à gris sombre. Sur les surfaces cassées, les granulats réactifs affichent des bordures de réaction sombres (fig ). Alcalis Les alcalis (sodium et potassium) de la solution interstitielle des pores du béton proviennent avant tout du ciment et des additions. De manière simplifiée, la teneur en alcalis est exprimée en Na 2 O équivalent (Na 2 O eq = 1 % en masse Na 2 O % en masse K 2 O). Les alcalis participant à la réaction sont appelés alcalis actifs. Les alcalis dans les bétons contenant des granulats cristallins altérés peuvent aussi provenir p. ex. des feldspaths ou des micas. Les alcalis peuvent également être amenés de l extérieur par les sels de déverglaçage, la nappe phréatique ou les eaux de montagne. L apport dépend des conditions de l environnement, mais aussi de la perméabilité du béton. Fig : Bordures de réaction sombres des granulats réactifs visibles sur une surface cassée d une carotte de béton. 272 Holcim guide pratique du béton

418 Fig : Fissures en réseau dues à la RAG: coloration rose de la surface du béton, efflorescences sombres (à gauche), efflorescences calcaires blanches, liserés brun-jaune (à droite). Développement des fissures Des fissures parallèles à la surface apparaissent avec la progression des dégradations à différentes profondeurs, souvent au niveau de l armature (fig ). Il n y a pas de corrélation entre la fissuration visible à la surface (ouverture, profondeur) et l étendue des fissures parallèles à la surface dans la section de l élément de construction. Il n est donc pas possible de conclure, à partir des dégradations observées en surface, sur un état du béton au cœur ou à la face arrière d un élément de construction. Fig : Formation d une fissure parallèle à la surface du parement, observée sur un mur de soutènement armé. La RAG peut conduire à une destruction progressive du béton en donnant naissance à un réseau de fissures serrées, de grande ouverture et avec des déplacements latéraux (fig ). La RAG produit une distribution hétérogène des désordres dans l élément de construction. Outre les pertes de résistances mécaniques, il résulte un risque accru de dégâts dus au gel ou à la corrosion (fig ). L aptitude au service peut être affectée, si des déformations entravent le fonctionnement. Fig : Destruction du béton par la RAG: réseau de fissures à mailles serrées, à grande ouverture et avec déplacements latéraux. Fig : Dégâts de gel suite à la dégradation du béton par la RAG. Holcim guide pratique du béton 273

419 8. Dégradations du béton 8.8 Dégradations dues à la réaction alcalis-granulats Causes et mesures préventives La vitesse avec laquelle un dégât de RAG se développe est variable et est influencée par la qualité du béton, le granulat, l exposition de l élément d ouvrage (surtout l humidité, les cycles de température), l armature, etc. Plus la teneur en alcalis de la solution interstitielle des pores du béton est élevée, plus la teneur en ions hydroxydes (valeur de ph) sera élevée. Les ions hydroxydes attaquent la silice contenue dans le granulat pour former un gel hydraté de silicates d alcalis et de calcium, appelé en général brièvement «gel» (fig ). La solubilité de la silice dépend de sa structure cristalline: la silice amorphe (p. ex. opale, silex, silicifications des calcaires et des grès) est plus facilement soluble que la silice à structure cristalline (quartz) plus ou moins ordonnée (p. ex. dans les gneiss et grès). Il existe différents types de roches alcalis-réactives pour lesquelles l étendue des dégâts et la vitesse de développement de la réaction varient. Les granulats suisses appartiennent en règle générale aux granulats réagissant lentement. Le gel peut absorber de grandes quantités d eau, produisant ainsi une pression d expansion. Dès que celle-ci dépasse la résistance à la traction du granulat, des fissures se créent dans le béton à partir du granulat. En surface, des fissures caractéristiques apparaissent en réseau. La fissuration affectant le granulat et la pâte de ciment affaiblit fortement la structure du béton et mène à de grandes pertes au niveau des résistances mécaniques (fig ). Mesures préventives Les dégâts dus à la RAG peuvent être évités par des mesures liées à la technologie du béton et, le cas échéant, par des mesures supplémentaires (chapitre 6.4). Fig : Dépôt de gel silicaté dans les fissures et un pore d air d un béton dégradé (photo: lumière UV). pâte de ciment durcie fissures granulat pore d air granulat Fig : Fissuration typique due à la RAG du granulat et de la pâte de ciment (photo: lumière UV). fissures granulat pâte de ciment durcie 274 Holcim guide pratique du béton

420 8.9 Dégradations liées à la corrosion de l armature Introduction La corrosion de l armature du béton armé et celle de toutes les insertions métalliques corrodables n arrive que sous certaines conditions. Elle peut être empêchée pendant toute la durée de vie d un ouvrage par une épaisseur et une qualité adéquate du béton d enrobage. Il est également possible d utiliser des aciers d armature avec une résistance à la corrosion plus élevée si des exigences particulièrement sévères doivent être respectées (voir chapitre 3.10) Typologie apparente Armature L armature subit une perte de sa section effective par la corrosion. Ceci a un impact direct sur la sécurité structurale de l élément de construction. On distingue une corrosion régulière de la surface des barres suite à la carbonatation d une corrosion ponctuelle par piqûres, induites par les chlorures. La perte de section provoquée par les piqûres de corrosion est généralement nettement plus prononcée et critique que celle induite par la carbonatation (fig ). La corrosion répartie régulièrement se caractérise par les éclatements du béton d enrobage, tandis que la corrosion par piqûres reste souvent inaperçue et se développe sans signes extérieurs à la surface. Surface du béton Selon son ampleur, la corrosion de l armature se remarque en surface du béton par des traces de rouille ou des décollements du béton d enrobage (fig ). Les traces de rouille sont les premiers signes visibles en surface du béton. La formation de la rouille (hydroxyde de fer) à partir de l acier s accompagne d une augmentation volumique de 2,3 fois le volume de l acier. La pression qui en résulte conduit à la fissuration du béton d enrobage et, à un stade plus avancé, à son décollement au-dessus des barres d armature corrodées. Fig : Signes de corrosion visibles en surface du béton: traces de rouille (à gauche), décollements du béton au-dessus d une armature corrodée (à droite). Fig : Dégâts de corrosion d une armature: érosion par corrosion régulière de la barre d armature sous l effet de la carbonatation (en haut), corrosion ponctuelle (piqûre) induite par des chlorures et uniquement visible en mettant à nu l armature (en bas). Holcim guide pratique du béton 275