
Im Bauwesen ist Beton ein weit verbreiteter Baustoff, dessen Leistung in direktem Zusammenhang mit der Sicherheit und Haltbarkeit der gesamten Gebäudestruktur steht. In kalten Regionen oder bei Winterbaumaßnahmen kommt es jedoch häufig zu Betonfrostschäden, die viele Probleme beim Bau verursachen. Ein tieferes Verständnis der Ursachen von Betonfrostschäden und die Umsetzung wirksamer Präventivmaßnahmen sind für die Qualitätssicherung von Bauprojekten von entscheidender Bedeutung.
Verständnis der Gefahren und Auswirkungen von Betonfrostschäden
Betonfrostschäden sind nicht nur ein oberflächliches Problem. Sie können tiefgreifende Auswirkungen auf die innere Struktur und Leistung von Beton haben. Auf mikroskopischer Ebene verursachen Frostschäden Veränderungen in der Porenstruktur des Betons. Die Poren, die ursprünglich gleichmäßig verteilt waren, werden zerstört und bilden unregelmäßige Risse und Löcher. Diese mikroskopischen Veränderungen wirken sich direkt auf die Festigkeit, Haltbarkeit und Undurchlässigkeit des Betons aus. Aus makroskopischer Sicht können Frostschäden an Beton zu Verformungen und Rissen in der Gebäudestruktur führen und sogar strukturelle Schäden verursachen, die die sichere Nutzung des Gebäudes gefährden und enorme wirtschaftliche Verluste verursachen. Daher ist die Erforschung und Vermeidung von Frostschäden an Beton von großer praktischer Bedeutung.
Analyse der Ursachen von Frostschäden an Beton

(1) Die Ausdehnung von Eis gebundenem Wasser
Wasser spielt eine entscheidende, aber auch herausfordernde Rolle im Betonzusammensetzungssystem und ist einer der Hauptfaktoren, die zu Betonfrostschäden führen. Das Wasser im Beton existiert hauptsächlich in zwei Formen: freies Wasser und adsorbiertes Wasser. Freies Wasser ist freies Wasser, das in den Poren des Betons vorhanden ist. Es ist stark beweglich und hat nur eine einfache physikalische Füllbeziehung zu den umgebenden Zementpartikeln, Zuschlagstoffen usw. Adsorptives Wasser sind Wassermoleküle, die an der Oberfläche von Zementpartikeln adsorbiert sind, durch Oberflächenkräfte eingeschränkt werden und eine relativ geringe Mobilität aufweisen.
Wenn die Umgebungstemperatur unter den Gefrierpunkt (0 °C) fällt, durchläuft das freie Wasser im Beton aufgrund seines relativ freien Zustands zuerst eine Phasenänderung und wandelt sich von flüssigem in festes Eis um. Wenn Wasser gefriert, dehnt es sich um etwa 9 % aus. Diese erhebliche Volumenänderung erzeugt eine enorme Ausdehnungsbelastung im engen Porenraum im Inneren des Betons. Aus mechanischer Sicht ist Beton ein sprödes Material mit relativ geringer Zugfestigkeit. Wenn diese Dehnungsspannung die Zugfestigkeit des Betons übersteigt, ist es, als würde man eine „Zeitbombe“ in den Beton legen, wodurch sich Risse im Beton bilden.
Wenn die Umgebungstemperatur weiter sinkt, hat auch das relativ stabile adsorbierte Wasser Schwierigkeiten, den Auswirkungen der niedrigen Temperaturen standzuhalten, und beginnt allmählich zu gefrieren. Der Prozess der Eisbildung im adsorbierten Wasser verstärkt den Ausdehnungsstress im Beton weiter. Da das adsorbierte Wasser ursprünglich fest an der Oberfläche der Zementpartikel adsorbiert war, übt seine Volumenausdehnung beim Gefrieren einen direkteren und intensiveren Extrusionseffekt auf die umgebende Zementsteinstruktur aus, wodurch sich vorhandene Risse weiter ausdehnen und verlängern und die Breite und Länge der Risse allmählich zunimmt, was die Integrität der inneren Struktur des Betons ernsthaft schädigt.
(2) Die Auswirkungen der Zementhydratationsreaktion
Die Hydratationsreaktion von Zement ist ein Schlüsselprozess, bei dem sich Beton von einer plastischen Aufschlämmung in einen Feststoff mit einer bestimmten Festigkeit und Stabilität verwandelt. Dieser Prozess ist im Wesentlichen eine exotherme Reaktion. Unter normalen Umgebungstemperaturbedingungen kommt es nach dem Kontakt von Zementpartikeln mit Wasser schnell zu einer Reihe komplexer chemischer Reaktionen, bei denen verschiedene Hydratationsprodukte wie Calciumhydroxid und Calciumsilikathydrat entstehen. Diese Hydratationsprodukte verweben und verbinden sich miteinander und bilden allmählich zementartigen Stein mit einer bestimmten Festigkeit und Struktur, sodass der Beton allmählich aushärtet und an Festigkeit gewinnt.
Wenn die Umgebungstemperatur jedoch auf eine niedrige Temperatur sinkt, insbesondere unter 0 °C, wird die Hydratationsreaktion des Zements stark gehemmt. Dies liegt daran, dass die Hydratationsreaktion des Zements bestimmte Temperaturbedingungen erfordert, um die für die Reaktion erforderliche Energie bereitzustellen. Niedrige Temperaturen verringern die Aktivität der Zementpartikel und verlangsamen die Bewegung der Wassermoleküle, was zu einer deutlichen Verringerung der Geschwindigkeit der chemischen Reaktionen zwischen Zement und Wasser führt. Wenn die Temperatur unter 0 °C fällt, kommt die Hydratationsreaktion des Zements fast zum Stillstand. Zu diesem Zeitpunkt wird im Beton nur sehr wenig Hydratationsprodukt gebildet und die Festigkeit des Betons nimmt nur noch sehr langsam zu oder kommt sogar vollständig zum Stillstand.
In diesem Fall ist die innere Struktur des Betons noch lange nicht vollständig ausgebildet, seine innere Mikrostruktur ist relativ locker, die Porosität ist relativ hoch und es fehlt ihm an ausreichender Kompaktheit und Festigkeit, um den Auswirkungen von Frosthebungen standzuhalten. Zu diesem Zeitpunkt ist der Beton wie ein unreifer „Setzling“, der sehr anfällig für Frostschäden ist und leichter beschädigt werden kann, wodurch das Phänomen der Betonfrostschäden ausgelöst wird.
(3) Das Betonmischungsverhältnis ist unangemessen
Das wissenschaftlich fundierte und angemessene Betonmischungsverhältnis ist wie der Bauplan eines Gebäudes, der die verschiedenen Eigenschaften des Betons, insbesondere seine Frostbeständigkeit, direkt bestimmt. Unter den vielen Faktoren, die die Frostbeständigkeit von Beton beeinflussen, ist der Wasser-Zement-Wert ein wichtiger Kontrollindikator. Der Wasser-Zement-Wert bezieht sich auf das Verhältnis der verwendeten Wassermenge zur verwendeten Zementmenge im Beton und wirkt sich direkt auf die Menge des freien Wassers im Beton aus.
Ein zu hoher Wasserzementwert bedeutet, dass zu viel Wasser in den Beton gemischt wurde. Dieses überschüssige freie Wasser erreicht eher den Gefrierpunkt und gefriert bei niedrigen Temperaturen. Die Volumenausdehnung nach dem Gefrieren erzeugt eine größere Frosthebungsbeanspruchung im Beton, wodurch die Wahrscheinlichkeit von Frosthebungsschäden am Beton erheblich steigt. Außerdem führt zu viel Wasser auch dazu, dass der Beton während des Aushärtungsprozesses größere Poren bildet, wodurch die Dichte des Betons verringert und seine Frostbeständigkeit weiter geschwächt wird.
Neben dem Wasser-Zement-Verhältnis haben auch die Qualität und die Körnung der Zuschlagstoffe einen erheblichen Einfluss auf die Frostbeständigkeit des Betons. Die Zuschlagstoffe bilden das Skelett des Betons, und ihre Qualität und Körnung wirken sich direkt auf die Dichte und Festigkeit des Betons aus. Enthält der Zuschlagstoff zu viel Ton, füllen die Tonpartikel die Lücken zwischen den Zuschlagstoffen, was nicht nur die Bindung zwischen den Zuschlagstoffen und dem Zementleim verringert, sondern auch die Porosität des Betons erhöht und mehr Raum für die Ansammlung und das Gefrieren von Wasser bietet. Wenn die Korngrößenverteilung des Zuschlagstoffs schlecht ist, kann der Zuschlagstoff keine kompakte Stapelstruktur bilden, was zu mehr Hohlräumen im Beton führt und den Beton anfälliger für Frostschäden macht.
(4) Unsachgemäße Bautechniken
Beim Bau von Beton ist jeder Schritt des Vorgangs wie ein Glied in einer Kette. Ein unsachgemäßer Vorgang an einem Glied kann zu einer versteckten Gefahr werden, die Frostschäden am Beton auslöst. Isolierungsmaßnahmen nach dem Betonieren sind ein wichtiger Schritt, um sicherzustellen, dass der Beton in Umgebungen mit niedrigen Temperaturen richtig aushärtet. Wenn der Beton nicht rechtzeitig nach dem Gießen abgedeckt und isoliert wird, tauscht er schnell Wärme mit der kalten Außenumgebung aus, wodurch die Oberflächentemperatur des Betons stark abfällt.
Bevor der Beton eine bestimmte Festigkeit erreicht, ist seine innere Struktur noch nicht stabil genug. Wenn er einer kalten Umgebung ausgesetzt ist, gefriert das Wasser im Beton leichter, was zu Frosthebungen und Frostschäden führt. Darüber hinaus ist der Betonrüttelprozess entscheidend, um die Kompaktheit des Betons zu gewährleisten. Wenn der Beton nicht dicht genug gerüttelt wird, entstehen mehr Hohlräume im Beton. Diese Hohlräume werden zu Orten, an denen sich bei niedrigen Temperaturen Wasser ansammelt. Sobald das Wasser gefriert, wird die umgebende Betonstruktur durch die Volumenausdehnung zusammengedrückt, was zu Frosthebungen und einer Verringerung der Gesamtqualität und Frostbeständigkeit des Betons führt.
(5) Der Einfluss von Umweltfaktoren
Umweltfaktoren sind externe Auslöser für Betonfrostschäden, wobei die Bandbreite und Dauer von Änderungen der Umgebungstemperatur den unmittelbarsten und größten Einfluss auf Betonfrostschäden haben. Wenn die Umgebungstemperatur plötzlich sinkt, kann das Wasser im Beton aufgrund der Wärmeleitung und des Temperaturgefälles nicht rechtzeitig in die Umgebung wandern und gefriert schnell an Ort und Stelle. Dieser schnelle Gefrierprozess erzeugt große Ausdehnungsspannungen, da das Wasser in kurzer Zeit von flüssig zu fest wird und nicht genügend Raum und Zeit für die drastische Volumenänderung vorhanden ist, um die Spannung abzubauen, was zu einer starken Beeinträchtigung der inneren Struktur des Betons führt.
Wiederholte Frost-Tau-Zyklen sind ebenfalls ein wichtiger Faktor für die Beschleunigung der Betonverschlechterung. Bei jedem Frost-Tau-Zyklus durchläuft das Wasser im Beton zwei Prozesse: Gefrieren und Schmelzen. Die durch die Volumenausdehnung beim Gefrieren verursachte Spannung kann zur Bildung von Mikrorissen im Beton führen. Wenn das Wasser schmilzt, füllt es diese Risse, und wenn es wieder gefriert, dehnen sich die Risse weiter aus. Nach vielen Frost-Tau-Zyklen verbinden sich diese Mikrorisse allmählich miteinander und bilden Makrorisse, die die Festigkeit und Haltbarkeit des Betons erheblich verringern.
Darüber hinaus beeinflussen auch Umweltfaktoren wie Luftfeuchtigkeit und Windgeschwindigkeit das Ausmaß der Betonfrostschäden. Bei hoher Luftfeuchtigkeit nimmt der Beton mehr Wasser aus der Umgebung auf, wodurch der Feuchtigkeitsgehalt im Beton relativ hoch ist und bei niedrigen Temperaturen eher Frostschäden auftreten. Bei hoher Windgeschwindigkeit wird die Verdunstung von Wasser auf der Betonoberfläche und der Wärmeverlust beschleunigt, wodurch die Temperatur der Betonoberfläche schnell sinkt, die Frostbeständigkeit der Betonoberfläche abnimmt und das Risiko von Frostschäden an der Betonoberfläche steigt.