Bewertung von Frost- und FrosttausalzSchäden an Betonpflastersteinen (Teil 1)

Der Witterungsbeständigkeit von Betonpflastersteinen kommt insbesondere dort große Bedeutung zu, wo Pflasterdecken häufigen Frost-Tau-Wechseln ausgesetzt sind. Diesbezüglich ist zu beachten, dass die Bedingungen in „warmen Innenstädten“ (nur wenige Frosttage) und auf hohen Bergen (wenige Tage oberhalb der Frostgrenze) im Regelfall weniger kritisch sind als in Teilflächen, wo ständige Frost-Tauwechsel auftreten. So ist die erhöhte Schadensanfälligkeit im Bereich z. B. von Autowaschplätzen im Wesentlichen auf die große Anzahl der Frost-Tau-Wechsel zurückzuführen.

Aufgrund der klimatischen Bedingungen müssen Pflasterdecken in Deutschland unter Verwendung von Betonpflastersteinen ausgeführt werden, die erhöhte Anforderungen an den Witterungswiderstand (Klasse 3 nach DIN EN 1338) erfüllen. Trotzdem werden immer wieder Schäden in Form von Betonabplatzungen an Pflasterbelägen vorgefunden, die nicht selten Gegenstand von Rechtsstreitigkeiten sind (siehe Bild 1).

Vor diesem Hintergrund wird im nachfolgenden Artikel in erster Linie auf die technologische Bewertung von Flächenbefestigungen eingegangen, bei denen Schäden an Pflasterbelägen durch Frost-Tausalz-Einwirkungen entstanden sind. Hierbei wird u. a. ein besonderes Augenmerk auf die Untersuchungsmethoden gelegt, die zum Nachweis der Schadensursache und zur Festlegung der Mangelbeseitigungsmaßnahmen eingesetzt werden können. Nähere Einzelheiten u. a. zu den Schadensmechanismen sowie der Beurteilung von Bauwerksproben sind [3] zu entnehmen.

1          Optisches Erscheinungsbild

1.1       Schadensbilder

Frost-Tausalz-Schäden an Pflasterbelägen können ein sehr unterschiedliches Erscheinungsbild aufweisen. So können sie in Form von lokal begrenzten oder flächigen Zementsteinabwitterungen oder als punktförmige Pop-Outs oberhalb einzelner Gesteinskörner auftreten.

Flächige Zementsteinabwitterungen stellen das übliche Erscheinungsbild von Frost-Tausalz-Schäden an Pflasterbelägen dar, wobei das Ausmaß der Abwitterungen stark variieren kann (Bild 1 und Bild 2). Auch die Anzahl der betroffenen Pflastersteine kann – selbst bei Verwendung von Produkten aus einer Produktionscharge – in erheblichem Umfang variieren. So sind häufig nur Einzelsteine oder kleinflächig begrenzte Teilflächen betroffen; in Einzelfällen können aber auch nahezu alle Pflastersteine einer Pflasterdecke geschädigt sein.

Neben flächigen bzw. teilflächigen Abwitterungen finden sich häufig auch lokal begrenzt auftretende Abwitterungen (sog. Pop outs) an den Oberflächen der Pflastersteine. Diese Schäden beginnen im Normalfall über oberflächennahen Gesteinskörnern des Vorsatzbetons und setzen sich von hier aus in Richtung des Zementsteins fort (siehe Bild 3).

Diese Witterungsschäden werden im Reklamationsfall nicht selten (leider auch von Sachverständigen) ohne Durchführung weiterer Untersuchungen auf die Verwendung nicht geeigneter und damit „mangelhafter“ Gesteinskörner zurückgeführt.

Die Vermutung, dass nicht ausreichend witterungsbeständige Gesteinskörner verantwortlich für diese Schäden sind, erweist sich bei näherer Untersuchung in vielen Fällen als falsch. So finden sich zwar nicht selten zersetzliche Gesteinskörner im Zentrum dieser Abwitterungen (siehe Bild 3). Viel häufiger werden im Zentrum dieser Abwitterungen aber völlig intakte Gesteinskörner mit einem dichten Gefüge und einem hohen Frost-Tausalz-Widerstand (Bild 4) vorgefunden.

Bei den in Bild 4 dargestellten Fällen war die Entstehung der Zementsteinabwitterungen (sog. „Pop outs“) oberhalb der Gesteinskörner nicht auf einen unzureichenden Frost-Tausalz-Widerstand der Gesteinskörnung, sondern auf das Zusammenspiel der nachfolgend genannten Effekte zurückzuführen:

Die Porosität dichter Gesteinskörner (im Bild 5 an deren dunkler Farbe erkennbar) ist deutlich geringer als die des Zementsteins (grüne Teilflächen aus Bild 5). Das im Übergangsbereich vom Zementstein zur Gesteinskörnung gefrierende Wasser kann sich demnach nicht in Richtung des Gesteinskorns ausdehnen (hier liegt nur ein sehr kleiner freier Expansionsraum vor) und sprengt den aufsitzenden Zementstein ab.

In der Kontaktzone zwischen den dichten Gesteinskörnern und dem Zementstein bildet sich aufgrund der geringen Wassersaugfähigkeit der Gesteinskörner häufig eine dünne Zementsteinschicht mit erhöhter Porosität (rote Pfeile aus Bild 6), erhöhter Wassersaugfähigkeit und einer reduzierten Witterungsbeständigkeit.

In den oben beschriebenen Schadensfällen war somit nicht eine reduzierte Qualität der Gesteinskörnung verantwortlich für die Abwitterung des Zementsteins, vielmehr war ein nicht ausreichend Frost-Tausalz-beständiger Zementstein in Verbindung mit einer sehr dichten Gesteinskörnung ursächlich für die aufgetretenen Schäden.

Neben der Qualität des Vorsatzbetons wirkt sich selbstverständlich aber auch die Witterungsbeständigkeit der Gesteinskörnung auf die Entstehung von Frost- und Frost-Tausalz-Schäden an Pflasterbelägen aus. So können Zementsteinabwitterungen auch oberhalb einzelner Gesteinskörner (Pop out aus Bild 7) entstehen, wenn diese keine ausreichende Witterungsbeständigkeit aufweisen.

Bei der Bewertung entsprechender Schäden ist darauf hinzuweisen, dass weder die Gesteinskörnung noch der daraus hergestellte Beton normativ frei von Abwitterungen sein muss (Abschnitt 1 aus [3]).

1.2 Risse

Nicht selten werden seitens der Bauherren Produkte mit dem Hinweis auf eine reduzierte Witterungsbeständigkeit reklamiert, wenn diese Risse in der Produktoberfläche besitzen. An dieser Stelle ist festzustellen, dass der Witterungswiderstand von Bord- oder Pflastersteinen tatsächlich durch das Vorhandensein von Rissen beeinträchtigt werden kann, aber nicht muss. So stellen Risse, wie diese in Bild 8 abgebildet sind, auch nicht unbedingt einen technischen Mangel dar.

Wie die Ergebnisse der Frost-Tausalz-Prüfung an den gerissenen Bordsteinen zeigen, ist eine rein oberflächliche Rissbildung, wie sie rechts in Bild 8 dargestellt sind, nicht zwingend mit einer Beeinträchtigung der Dauerhaftigkeit oder der Gebrauchstauglichkeit der Bordsteine gleichzusetzen. Vielmehr handelt es sich bei derartigen Rissen häufig in erster Linie um optische Beeinträchtigungen.

Kritisch sind Risse erst, wenn sie wasserführende Eigenschaften aufweisen, sodass der Expansionsdruck des gefrierenden Wassers über die Rissflanken auf den Vorsatzbeton einwirken kann. Auch Risse, die zusätzlich mit kleinen Hohlstellen zwischen dem Vorsatz- und dem Kernbeton in Verbindung stehen, haben erfahrungsgemäß häufig eine eingeschränkte Frost-Tausalz-Beständigkeit der Produkte zur Folge.

2 Schadensursachen

2.1 Einfluss der Verlegung

Der Einfluss der Ausführungsqualität der Pflasterdecke auf die Witterungsbeständigkeit der Produkte ist erfahrungsgemäß gering. In erster Linie ist diesbezüglich der Einbau einer nicht ausreichend wasserdurchlässigen Unterlage (Tragschicht und Bettung) zu nennen.

Die Gefahr für die Entstehung von Frost- und Frost-Tausalz-Schäden an Pflasterbelägen steigt an, wenn die Pflasterbeläge auf einer nicht ausreichend wasserdurchlässigen Unterlage verlegt werden. In diesem Fall dringt Wasser in die Konstruktion ein und kann nicht sachgerecht in den Unterbau abgeleitet werden (siehe Bild 9).

In der Folge wird zuerst der Kernbeton und später ggf. auch der Vorsatzbeton mit Wasser gesättigt, wodurch der im Porensystem des Betons enthaltene Expansionsraum zumindest zum Teil mit Wasser gefüllt wird. Je höher der Anteil an mit Wasser gefüllten Poren der Pflasterbeläge ist, desto größer ist das Risiko für die Entstehung von Frost- bzw. Frost-Tausalz-Schäden.

2.2 Einfluss der Nutzung

Neben der Qualität der Herstellung der Pflasterdecke (Wasserdurchlässigkeit) und der Steinqualität kann sich auch die Art und Intensität der Nutzung auf die Witterungsbeständigkeit der Produkte in den Pflasterdecken auswirken. Diesbezüglich sind in erster Linie die nachfolgenden Punkte zu beachten:

Einfluss des Winterdienstes und

Einfluss der Reinigung der Pflasterdecke.

Darüber hinaus wirken sich alle Einflüsse auf die Frost- bzw. Frost-Tausalz-Beständigkeit der Pflasterbeläge aus, die zu einer hohen Wassersättigung der Produkte in der Pflasterdecke beitragen.

Auch in den einschlägigen Technischen Regelwerken wird auf den Zusammenhang zwischen dem optischen Eindruck von Pflasterdecken und der Nutzung (Nutzungsdauer und -intensität) hingewiesen. So ist dem FGSV-Merkblatt M FP zu entnehmen, dass Nutzungs- und Gebrauchsspuren auch bei bestimmungsgemäßer Nutzung nicht vermeidbar sind. Der Sachverständige hat im Streitfall demnach zu bewerten, ob die aufgetretenen Abwitterungen erwartungsgemäß für das Alter, die Umgebungsbedingungen und die Nutzung der Pflasterdecke sind (Details sind [3] zu entnehmen).

Wie diese Ausführungen zeigen, muss der Sachverständige bei entsprechenden Reklamationen u. a. bewerten, welche Menge an Abwitterungen bei der vorliegenden Nutzung und unter Berücksichtigung der bereits erfolgten Witterungseinflüsse erwartungsgemäß ist. Nur, wenn die vorliegende Abwitterungsmenge bei den gegebenen Umgebungsbedingungen über das „übliche Maß“ hinausgeht, kann es sich bei den Abwitterungen aus technischer Sicht um einen Mangel handeln.

2.2.1 Winterdienst

Als Streumittel kommen im Winter heutzutage unterschiedlichste Chemikalien zur Sicherstellung der Begehungssicherheit von Pflasterdecken zum Einsatz. Bei dem wichtigsten Taumittel handelt es sich noch immer um Natriumchlorid, doch nimmt die Tendenz zur Verwendung anderer Taumittel (Kalium-, Calcium- und Magnesiumchloride) deutlich zu.

Grundsätzlich spricht nichts gegen die Verwendung dieser Streumittel, allerdings ist zu beachten, dass der normative Nachweis des Frost-Taumittel-Widerstandes z. B. der Betonpflastersteine gemäß DIN EN 1338 mit Natriumchlorid und nicht mit Calcium- oder Magnesiumchlorid zu erfolgen hat.

Vor diesem Hintergrund sind Untersuchungen der TU München besonders zu beachten, die belegen, dass die Abwitterungsrate von Betonpflastersteinen im Rahmen der Überprüfung des Frost-Taumittel-Widerstandes (Slab-Test mit 28 Frost-Tau-Wechseln) bei Verwendung von Magnesiumchlorid ca. 30% und bei Verwendung von Calciumchlorid ca. 60% größer als bei Verwendung von Natriumchlorid als Taumittel ist (siehe Bild 10).

Somit ist festzustellen, dass Pflasterbeläge, die im Rahmen des Nachweises des Frost-Taumittel-Widerstandes im Labor bei Verwendung von Natriumchlorid die normativen Anforderungen mit einer mittleren Abwitterungsrate von beispielsweise 900 g/m² erfüllen, weder bei Verwendung von Magnesiumchlorid (berechnete Abwitterungsrate von 1.170 g/m²) noch von Calciumchlorid (berechnete Abwitterungsrate von 1.440 g/m²) als Taumittel eine im Sinne des technischen Regelwerks ausreichende Witterungsbeständigkeit aufweisen.

Wie diese Untersuchungen zeigen, müssen Betonpflastersteine, sofern sie einen ausreichenden Frost-Taumittel-Widerstand gegenüber anderen Taumitteln aufweisen sollen, im Rahmen des Eignungsnachweises auch mit dem konkret zum Einsatz kommenden Taumittel geprüft werden.

Außerhalb des Straßenbaus (z. B. im Bereich von Kläranlagen, Flugplätzen oder ähnlichen Objekten) wird die Sachlage noch komplizierter, da bei diesen Objekten zum Teil weitere Taumittel zur Anwendung kommen:

Alkoholische (z. B. ethylenglykolhaltige) Auftaumittel,

Harnstoff- oder urethanhaltige Taumittel oder

gerade im Bereich von Flugplätzen auch Enteisungsmittel wie z. B. Saveway.

 Werden diese Taumittel verwendet, dann kann nicht ohne weiteres davon ausgegangen werden, dass der normative Nachweis eines erhöhten Frost-Taumittel-Widerstandes nach DIN EN 1338 sachgerecht auf die tatsächlich vorliegende Frost-Taumittel-Beanspruchung mit diesen Auftaumitteln übertragbar ist.

Gerade bei intensiv genutzten Pflasterdecken, wie z. B. Bahnhöfen, Parkplätzen von Lebensmittelmärkten oder in Fußgängerzonen werden althergebrachte Taumittel häufig durch modernere Taumittel ersetzt.

Nach wenigen Jahren treten bei diesen Flächen Schäden auf, obwohl es sich bei den eingesetzten Produkten aus Beton- oder Naturstein gemäß den vorliegenden Prüfzeugnissen um Frost-Taumittel-beständige Produkte handelt, die auch in vielen anderen Objekten schadensfrei zur Anwendung gekommen sind. Optisch sind diese Schäden nicht von denen „typischer“ Frost-Tausalz-Schäden zu unterscheiden, sodass den Baustoffproduzenten i. d. R. die Verantwortung für die vorgefundenen Schäden zugeordnet wird, obwohl die Schäden ggf. auf den Einsatz besonders aggressiver Taumittel zurückzuführen sind.

Aus diesem Grunde müssen Sachverständige im Streitfall u. a. klären, ob vor Ort eines dieser „modernen“ Taumittel eingesetzt wurde. Wenn ja, dann ist zu prüfen, ob der Steinproduzent vor der Lieferung seiner Produkte gewusst hat, dass diese Taumittel zur Anwendung kommen sollten.

Bei entsprechenden Schäden müssen Sachverständige vor der Benennung der „Verantwortlichkeiten“ somit die vertragliche Situation prüfen. War in der Ausschreibung ein Hinweis auf die Verwendung dieser Taumittel enthalten? Kamen diese besonderen Taumittel ohne Rücksprache mit dem Baustofflieferanten zur Anwendung, oder hatte dieser deren Nutzung freigegeben? Wer war verantwortlich für die Durchführung der Erstprüfungen zum Nachweis der (nicht mit Natriumchlorid geprüften) Frost-Taumittel-Beständigkeit? Gab es überhaupt eine gesonderte Vereinbarung zur Durchführung dieser Erstprüfung?

Die Erfahrung zeigt, dass Pflasterdecken normalerweise unter Verwendung von Produkten hergestellt werden, die keiner gesonderten Erstprüfung unterzogen wurden. Im Normalfall war auch niemand darüber informiert, dass gesonderte Taumittel zum Einsatz kommen sollten. Hätte das der Planer koordinieren müssen?

2.2.2 Feuchtezustand der Pflasterdecke

Der Einfluss der Wasseraufnahme des Vorsatzbetons auf den Witterungswiderstand der Produkte lässt sich bereits an der normativen Begrenzung der Wasseraufnahme des Vorsatzbetons bei der Deklaration der Klasse 2 (Kennzeichnung B) gemäß Tabelle 4.1 der DIN EN 1338 auf < 6 M.-% erkennen.

Die Begrenzung der Wasseraufnahme des Vorsatzbetons lässt sich so erklären, dass im Vorsatzbeton kein großer Expansionsdruck beim Gefrieren des Wassers entstehen kann, wenn keine signifikanten Wassermengen in den Vorsatzbeton eindringen (siehe [3]). In diesem Fall werden erfahrungsgemäß auch keine signifikanten Frostschäden am Vorsatzbeton der Pflastersteine entstehen.

Anmerkung: Bei den o. g. 6 M.-% handelt es sich nur um einen groben Richtwert. Eine sachgerechte Beurteilung des Frost-Tausalz-Widerstandes von Betonpflastersteinen ist auf Basis dieses Richtwertes nicht möglich.

Eine höhere Wasseraufnahme führt zu einer größeren Wassersättigung des Vorsatzbetons der Pflasterbeläge und erhöht demnach die Gefahr für die Entstehung von Frost- bzw. Frost-Tausalz-Schäden. Genau aus diesem Grunde ist die Dauerhaftigkeit von sog. „Wassersäufern“ auch als eher kritisch zu bewerten.

Bei „Wassersäufern“ handelt es sich um „zu trocken“ oder mit einer „zu geringen Verdichtungsenergie“ hergestellte Pflasterbeläge, die einwirkendes Wasser sehr schnell aufnehmen (starkes kapillares Saugen) und sehr langsam wieder abgeben (langsames Abtrocknungsverhalten (Bild 11)). Derartige Pflasterbeläge weisen zwar nicht zwingend eine reduzierte Dauerhaftigkeit auf, doch steigt das Risiko für die Bildung von Frost-Tausalz-Schäden bei diesen Pflasterbelägen aus den o. g. Gründen an, selbst wenn diese ansonsten unter Verwendung sachgerechter Betonrezepte hergestellt werden.

Der Zusammenhang zwischen der Wassersättigung des Vorsatzbetons der Pflasterbeläge und der Gefahr für die Bildung von Frost- und Frost-Tausalzschäden hat auch zur Folge, dass Pflasterbeläge, die nutzungsbedingt einer größeren Wasserbeanspruchung ausgesetzt sind, in einem stärkeren Ausmaß durch Frost- bzw. Frost-Tausalzangriffe geschädigt werden. Aus diesem Grunde finden sich Frost- bzw. Frost-Tausalz-Schäden auch bevorzugt in Teilflächen, die einer besonders hohen Wasserzufuhr ausgesetzt sind und damit auch eine höhere Wassersättigung aufweisen, wie dies z. B. im Bereich von Wassertropfkanten an Bauteilen (siehe Bild 12) der Fall ist.

2.2.3 Reinigung

Pflasterdecken müssen zur Sicherstellung der geplanten Dauerhaftigkeit einer regelmäßigen Reinigung unterzogen werden. Anschließend sind die Fugen wieder mit Fugenmaterial zu füllen.

Anmerkung: Auf Schäden, die auf eine nicht sachgerechte Reinigung oder auf nicht ausreichend gefüllte Fugen zurückzuführen sind, wird ausführlich in [2] und [3] eingegangen.

Sowohl die Verwendung wasserrückhaltender Fugenmaterialien (siehe [2]) als auch die Bildung von Grünbelägen in den Fugen wirken sich negativ auf den Feuchtezustand der Pflasterdecke aus. So ziehen stark verschmutzte und mit Grünbelägen gefüllte Fugen (siehe Bild 13) eine deutliche Verlangsamung des Abtrocknungsverhaltens der Pflasterbeläge (siehe Bild 14) nach sich.

3 Ausblick

Während im ersten Teil der Artikelserie über die unterschiedlichen Schadensbilder von Frost-Tausalz-Schäden, den Einfluss von Rissen in den Produkten und die Einflüsse der Verlegung und Nutzung auf die Entstehung der Schäden eingegangen wurde, wird sich der zweite Teil des Artikels mit der gutachterlichen Bewertung von Frost-Tausalz-Schäden in Objekten beschäftigen. Hierbei wird im Besonderen eingegangen auf:

die möglichen Verfahren zum Nachweis des Frost-Tausalz-Widerstandes der Produkte,

die zulässigen Abwitterungsraten an Bauwerksproben und

die Bewertung des Witterungswiderstandes bereits verbauter Produkte sowie auf Besonderheiten bei der Bewertung optisch hochwertiger Produkte eingegangen.