Aspekte zur Entwicklung einer Schnellprüfmethode zum Nachweis der Alkali-Kieselsäure-Reaktion an Betonen
©2004
Diplomarbeit
207 Seiten
Zusammenfassung
Inhaltsangabe:Einleitung:
Bei der Alkali-Kieselsäure-Reaktion im Beton handelt es sich um eine Reaktion zwischen der reaktiven Kieselsäure in den Zuschlägen und den in der Porenlösung gelösten Alkalien. Bei ungünstigen Bedingungen kommt es zu einer Volumenzunahme im Umfeld der reaktiven Zuschlagskörner. Daraus resultieren dann Schäden wie Risse, Abplatzungen (pop-outs) und Ausblühungen. Die Verhinderung dieser Schäden ist für die Gewährleistung der Dauerbeständigkeit von Betonkonstruktionen von entscheidender Bedeutung.
STANTON berichtete zum ersten Mal über Treibschäden an Betonkonstruktionen als Folge einer chemischen Reaktion zwischen alkalireichen Zementen und den angewendeten Zuschlägen. Zur Bezeichnung dieser Schadensreaktion hat sich daraufhin der Begriff Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) durchgesetzt.
Eine besondere Problematik dieser Schadstoffreaktion besteht darin, dass die Schäden in vielen Ländern nicht rechtzeitig erkannt wurden. Noch 1965 war man in der BRD der Auffassung, dass Betonschäden infolge Alkali-Kieselsäure-Reaktion unter den hiesigen Bedingungen nicht auftreten können. Nachdem die 1965/66 erbaute Lachswehrbrücke bei Lübeck nach drei Jahren wieder abgerissen werden musste, gab man diese Ansicht auf.
Die Geschwindigkeit und Stärke der Alkali-Kieselsäure-Reaktion ist von verschiedenen, nach inneren und äußeren zu unterscheidenden Einflüssen abhängig. Äußere Einflüsse sind zum Beispiel das Feuchteangebot, die Temperatur oder die Zufuhr von Alkalien von außen durch Tausalze oder Meerwasser. Art, Menge und Größe des reaktiven Zuschlags und der eingesetzten Zemente, der die Zusammensetzung der Porenlösung beeinflusst, sind innere Einflüsse auf die AKR.
Die vorgelegte Arbeit soll einen Einblick über die Alkali-Kieselsäure-Reaktion geben. Zu diesem Zweck erfolgt zunächst eine Darstellung vom Mechanismus der Reaktion. Weiterhin werden Minerale und Gesteine mit Reaktionspotenzial sowie Einflussgrößen auf die Reaktion aufgeführt. Des Weiteren setzt sich die Arbeit mit bestehenden Prüfverfahren zur Erkennung der AKR, Schadensmerkmalen einer schädigenden AKR und Vorschlägen zur Vermeidung der Alkali-Kieselsäure-Reaktion auseinander.
In Deutschland kann Alkali-Kieselsäure-Reaktion an empfindlichen Gesteinen durch Lagerung von Betonen in der Nebelkammer entsprechend der DafStb-Richtlinie nachgewiesen werden. Dieser Nachweis vollzieht sich über einen mindestens neunmonatigen Zeitraum. Die Arbeit zielt darauf ab, verschiedene Aspekte […]
Bei der Alkali-Kieselsäure-Reaktion im Beton handelt es sich um eine Reaktion zwischen der reaktiven Kieselsäure in den Zuschlägen und den in der Porenlösung gelösten Alkalien. Bei ungünstigen Bedingungen kommt es zu einer Volumenzunahme im Umfeld der reaktiven Zuschlagskörner. Daraus resultieren dann Schäden wie Risse, Abplatzungen (pop-outs) und Ausblühungen. Die Verhinderung dieser Schäden ist für die Gewährleistung der Dauerbeständigkeit von Betonkonstruktionen von entscheidender Bedeutung.
STANTON berichtete zum ersten Mal über Treibschäden an Betonkonstruktionen als Folge einer chemischen Reaktion zwischen alkalireichen Zementen und den angewendeten Zuschlägen. Zur Bezeichnung dieser Schadensreaktion hat sich daraufhin der Begriff Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) durchgesetzt.
Eine besondere Problematik dieser Schadstoffreaktion besteht darin, dass die Schäden in vielen Ländern nicht rechtzeitig erkannt wurden. Noch 1965 war man in der BRD der Auffassung, dass Betonschäden infolge Alkali-Kieselsäure-Reaktion unter den hiesigen Bedingungen nicht auftreten können. Nachdem die 1965/66 erbaute Lachswehrbrücke bei Lübeck nach drei Jahren wieder abgerissen werden musste, gab man diese Ansicht auf.
Die Geschwindigkeit und Stärke der Alkali-Kieselsäure-Reaktion ist von verschiedenen, nach inneren und äußeren zu unterscheidenden Einflüssen abhängig. Äußere Einflüsse sind zum Beispiel das Feuchteangebot, die Temperatur oder die Zufuhr von Alkalien von außen durch Tausalze oder Meerwasser. Art, Menge und Größe des reaktiven Zuschlags und der eingesetzten Zemente, der die Zusammensetzung der Porenlösung beeinflusst, sind innere Einflüsse auf die AKR.
Die vorgelegte Arbeit soll einen Einblick über die Alkali-Kieselsäure-Reaktion geben. Zu diesem Zweck erfolgt zunächst eine Darstellung vom Mechanismus der Reaktion. Weiterhin werden Minerale und Gesteine mit Reaktionspotenzial sowie Einflussgrößen auf die Reaktion aufgeführt. Des Weiteren setzt sich die Arbeit mit bestehenden Prüfverfahren zur Erkennung der AKR, Schadensmerkmalen einer schädigenden AKR und Vorschlägen zur Vermeidung der Alkali-Kieselsäure-Reaktion auseinander.
In Deutschland kann Alkali-Kieselsäure-Reaktion an empfindlichen Gesteinen durch Lagerung von Betonen in der Nebelkammer entsprechend der DafStb-Richtlinie nachgewiesen werden. Dieser Nachweis vollzieht sich über einen mindestens neunmonatigen Zeitraum. Die Arbeit zielt darauf ab, verschiedene Aspekte […]
Leseprobe
Inhaltsverzeichnis
ID 7718
Mühlenbruch, Axel: Aspekte zur Entwicklung einer Schnellprüfmethode zum Nachweis
der Alkali-Kieselsäure-Reaktion an Betonen
Hamburg: Diplomica GmbH, 2004
Zugl.: Universität Rostock, Universität, Diplomarbeit, 2004
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Printed in Germany
Inhaltsverzeichnis
I
Inhaltsverzeichnis
1
Einleitung...1
2
Stand des Wissens ...2
2.1
Historischer Abriss ...2
2.2
Mechanismus der Alkali-Kieselsäure-Reaktion ...3
2.2.1
Übersicht über die Alkali-Zuschlag-Reaktion ... 3
2.2.2
Chemische Reaktion der Alkali-Kieselsäure-Reaktion ... 3
2.2.3
Dehnungsreaktionen ... 5
2.3
Schadensmerkmale der Alkali-Kieselsäure-Reaktion ...6
2.3.1
Äußere Schäden ... 6
2.3.2
Innere Schäden ... 7
2.4
Einflussgrößen auf die Alkali-Kieselsäure-Reaktion ...8
2.4.1
Alkaliempfindlichkeit von Zuschlagsstoffen... 8
2.4.2
Alkaliempfindliche Zuschläge... 9
2.4.3
Betonbestandteile... 15
2.4.4
Wasserzementwert... 18
2.4.5
Umwelteinflüsse ... 19
2.5
Prüfverfahren ...20
2.5.1
Nationale Prüfverfahren ... 20
2.5.2
Internationale Prüfverfahren... 23
2.6
AKR - Schadensanalyse ...25
2.7
Vermeidung von Schäden infolge Alkali-Kieselsäure-Reaktion...27
3
Zielstellung der eigenen Untersuchungen ...28
4
Versuchsprogramm...29
5
Versuchsdurchführung...30
5.1
Kenngrößen der Ausgangsstoffe ...30
5.1.1
Zemente ... 30
5.1.2
Zuschlagsstoffe ... 31
5.2
Versuchsserie I Mörtelprismen...34
5.2.1
Allgemeines ... 34
5.2.2
Betonrezepturen... 35
Inhaltsverzeichnis
II
5.3
Versuchsserie II Betonwürfel mit Messmarken ...36
5.3.1
Allgemeines ... 36
5.3.2
Betonrezepturen... 37
5.4
Versuchsserie III Betonwürfel mit wasserundurchlässiger Beschichtung ..38
5.4.1
Allgemeines ... 38
5.4.2
Betonrezepturen... 38
6
Versuchsergebnisse ...40
6.1
Versuchsserie I Mörtelprismen...40
6.1.1
Ergebnisse der Dehnungsmessungen der Mörtelprismen aus
Nebelkammerlagerung... 40
6.1.2
Ergebnisse der Dehnungsmessungen der Mörtelprismen aus
Laborlagerung... 43
6.1.3
Visuelle Beurteilung der Mörtelprismen aus der Nebelkammerlagerung ... 45
6.1.4
Visuelle Beurteilung der Mörtelprismen aus der Laborlagerung ... 49
6.1.5
Ergebnisse aus dem Fluoreszenz-Test ... 49
6.2
Versuchsserie II Betonwürfel mit Messmarken ...51
6.2.1
Ergebnisse der Dehnungsmessungen der Betonwürfel mit Messmarken
aus Nebelkammerlagerung ... 51
6.2.2
Ergebnisse der Dehnungsmessungen der Betonwürfel mit Messmarken
aus Laborlagerung ... 54
6.2.3
Visuelle Beurteilung der Betonwürfel mit Messmarken aus der
Nebelkammerlagerung... 56
6.2.4
Visuelle Beurteilung der Betonwürfel mit Messmarken aus der
Laborlagerung... 61
6.2.5
Ergebnisse aus dem Fluoreszenz-Test ... 62
6.3
Versuchsserie III Betonwürfel mit wasserundurchlässiger Beschichtung ..64
6.3.1
Ergebnisse der Volumenmessungen der Betonwürfel mit
wasserundurchlässiger Beschichtung ... 64
6.3.2
Visuelle Beurteilung der Betonwürfel mit wasserundurchlässiger
Beschichtung ... 66
6.3.3
Ergebnisse aus dem Fluoreszenz-Test ... 66
7
Auswertung der Versuchsergebnisse...68
7.1
Versuchsserie I - Mörtelprismen ...68
Inhaltsverzeichnis
III
7.1.1
Einfluss der Zuschlagsstoffe... 68
7.1.2
Einfluss des Zements ... 68
7.1.3
Einfluss des Wasserzementwertes ... 69
7.1.4
Einfluss der Umweltbedingungen ... 69
7.2
Versuchsserie II Betonwürfel mit Messmarken ...70
7.2.1
Einfluss der Zuschlagsstoffe... 70
7.2.2
Einfluss der Zementart... 70
7.2.3
Einfluss der Umweltbedingungen ... 71
7.3
Versuchsserie III Betonwürfel mit wasserundurchlässiger Beschichtung ..71
7.3.1
Einfluss der Zuschlagsstoffe... 71
7.3.2
Einfluss der Zementart... 72
8
Schlussfolgerung ...73
9
Ausblick...75
10
Zusammenfassung ...76
11
Literaturverzeichnis ...78
Inhaltsverzeichnis
IV
Verzeichnis der Abbildungen:
Abb. 2-1: AKR Schadensbild an einem Betonelement[25] ...4
Abb. 2-2: Alkaliausblühungen an einem Brückenelement ...4
Abb. 2-3: Prinzip der Alkali-Kieselsäure-Reaktion [25] ...5
Abb. 2-4: Aufbau der Quelldruckspannung durch AKR [25]...6
Abb. 2-5: Durch AKR verursachte Risse an einem Betonbauteil ...6
Abb. 2-6: Durch AKR verursachte Abplatzung (Marke 2,5 mm)...7
Abb. 2-7: Darstellung weißer Ausblühungen an einem Betonbauteil...7
Abb. 2-8: Temperatureinfluss auf die Löslichkeit von SiO
2
[15] ...9
Abb. 2-9: Opal [19] ...11
Abb. 2-10: Chalcedon [19]...11
Abb. 2-11: Christobalit [19] ...12
Abb. 2-12: Quarze [19] ...12
Abb. 2-13: Modifikationen von Opalsandstein [26] ... 13
Abb. 2-14: Modifikationen von Flintgestein [26] ...13
Abb. 2-15: Hornstein [19] ...14
Abb. 2-16: Grauwacke [19]...14
Abb. 2-17: Porphyre [19] ...15
Abb. 2-18: Abhängigkeit der Alkalität der Porenlösung vom Alkaligehalt des Zements
[25]... 16
Abb. 2-19: Grenzen der spez. Zementmenge im Beton zur Vermeidung einer
schädigenden AKR in Abhängigkeit vom Alkaligehalt des Zements [17] ...17
Abb. 2-20: Anwendungsbereich von Teil 2 der Alkalirichtlinie und Gewinnungsgebiete
von Opalsandsteinen und fraglichen Gesteinen sowie Flint [4] ...22
Abb. 2-21: Gewinnungsgebiete präkambrischer Grauwacke [4] ...22
Abb. 2-22: Extinktionskurven einiger Gesteins- und Mineralarten [14] ...23
Abb. 2-23: Leitfaden für eine AKR Schadensanalyse[20]...26
Abb. 2-24: Einfluss von Flugasche auf die axiale Dehnung von Mörtelprismen ...27
Abb. 5-1: Augit-Porphyrit, 20-fache Vergrößerung ...32
Abb. 5-2: Kies, Flint, 20-fache Vergrößerung ...32
Abb. 5-3: Kies, Opalsandstein, 20-fache Vergrößerung ...33
Abb. 5-4: Granit, 20-fache Vergrößerung (1 Feldspat, 2 Biotitglimmer, 3 Quarz) ...34
Inhaltsverzeichnis
V
Abb. 5-5: Abkürzungsschlüssel der Betonrezepturen für Versuchsserie I ...35
Abb. 5-6: Anordnung der Messmarken am Betonwürfel...36
Abb. 5-7: Abkürzungsschlüssel der Betonrezepturen für Versuchsserie II ...37
Abb. 5-8: Abkürzungsschlüssel der Betonrezepturen für Versuchsserie III...38
Abb. 6-1: Mörtelprismen Ki/Z1/450 ...46
Abb. 6-2: Mörtelprismen Ki/Z2/450 ...46
Abb. 6-3: Mörtelprismen Ki/Z3/450 ...47
Abb. 6-4: Mörtelprismen Ki/Z1/550 ...47
Abb. 6-5: Mörtelprismen Ki/Z2/550 ...48
Abb. 6-6: Mörtelprismen Ki/Z3/550 ...48
Abb. 6-7: Fluoreszenz-Test an MÖ Ki/Z2/450 ...50
Abb. 6-8: Fluoreszenz-Test an MÖ Ki/Z3/450 ...50
Abb. 6-9: Betonwürfel mit Marken AuPo-SRet/Z3/450...57
Abb. 6-10: Betonwürfel mit Marken Ki-SNeu/Z1/450...58
Abb. 6-11: Betonwürfel mit Marken Ki-SNeu/Z2/450...58
Abb. 6-12: Betonwürfel mit Marken Ki-SNeu/Z3/450...59
Abb. 6-13: Betonwürfel mit Marken Gr-SNeu/Z1/450...60
Abb. 6-14: Betonwürfel mit Marken Gr-SNeu/Z2/450...60
Abb. 6-15: Betonwürfel mit Marken Gr-SNeu/Z3/450...61
Inhaltsverzeichnis
VI
Verzeichnis der Diagramme:
Diagramm 6-1: Dehnung nach 90 Tagen (Versuchsserie I, Nebelkammerlagerung,
Zuschlag AuPo)...40
Diagramm 6-2: Dehnung nach 90 Tagen (Versuchsserie I, Nebelkammerlagerung,
Zuschlag Ki)...41
Diagramm 6-3: Dehnung nach 90 Tagen (Versuchsserie I, Nebelkammerlagerung,
Zuschlag Gr)...41
Diagramm 6-4: Dehnung nach 90 Tagen (Versuchsserie I, Nebelkammerlagerung,
Zuschlag SNor) ...42
Diagramm 6-5: Dehnung nach 90 Tagen (Versuchsserie I, Laborlagerung, Zuschlag
AuPo) ...43
Diagramm 6-6: Dehnung nach 90 Tagen (Versuchsserie I, Laborlagerung, Zuschlag Ki)
...44
Diagramm 6-7: Dehnung nach 90 Tagen (Versuchsserie I, Laborlagerung, Zuschlag Gr)
...44
Diagramm 6-8: Dehnung nach 90 Tagen (Versuchsserie I, Laborlagerung, Zuschlag
SNor) ...45
Diagramm 6-9: Dehnung nach 90 Tagen (Versuchsserie II, Nebelkammerlagerung, ZGE
AuPo-SRet) ...51
Diagramm 6-10: Dehnung nach 90 Tagen (Versuchsserie II, Nebelkammerlagerung,
ZGE Ki-SNeu) ...52
Diagramm 6-11: Dehnung nach 90 Tagen (Versuchsserie II, Nebelkammerlagerung,
ZGE Gr-SNeu) ...53
Diagramm 6-12: Dehnung nach 90 Tagen (Versuchsserie II, Nebelkammerlagerung,
ZGE Gr-SNor)...53
Diagramm 6-13: Dehnung nach 90 Tagen (Versuchsserie II, Laborlagerung, ZGE
AuPo-SRet) ...54
Diagramm 6-14: Dehnung nach 90 Tagen (Versuchsserie II, Laborlagerung, ZGE Ki-
SNeu)...55
Diagramm 6-15: Dehnung nach 90 Tagen (Versuchsserie II, Laborlagerung, ZGE Gr-
SNeu)...55
Diagramm 6-16: Dehnung nach 90 Tagen (Versuchsserie II, Laborlagerung, ZGE Gr-
SNor) ...56
Diagramm 6-17: Volumenänderung nach 90 Tagen (Versuchsserie III, ZGE AuPo-
SRet)...64
Inhaltsverzeichnis
VII
Diagramm 6-18: Volumenänderung nach 90 Tagen (Versuchsserie III, ZGE Ki-SNeu)
...65
Diagramm 6-19: Volumenänderung nach 90 Tagen (Versuchsserie III, ZGE Gr-SNeu)
...65
Diagramm 6-20: Volumenänderung nach 90 Tagen (Versuchsserie III, ZGE Gr-SNor)
...66
Inhaltsverzeichnis
VIII
Verzeichnis der Tabellen:
Tab. 2-1: Beurteilung der Alkaliempfindlichkeit von Zuschlägen einschließlich
Kieselkreide und Flint [4] ...21
Tab. 2-2: Beurteilung der Alkaliempfindlichkeit von Grauwacke und anderer
empfindlicher Gesteine [4] ...21
Tab. 2-3: Bewertungsskala zur Beurteilung des Fluoreszenz-Tests ...25
Tab. 5-1: Alkaligehalt der verwendeten Zemente in M.-% ...30
Tab. 5-2: Festigkeiten der verwendeten Zemente ...30
Tab. 5-3: Übersicht der Rezepturen für Versuchsserie I...35
Tab. 5-4: Übersicht über die verwendeten Zuschlagsgemische...36
Tab. 5-5: Übersicht der Rezepturen für die Versuchsserie II...37
Tab. 5-6: Übersicht der Rezepturen für die Versuchsserie III ...39
Tab. 6-1: Beurteilung der Proben nach Fluoreszenz-Test (Versuchsserie I, Zuschlag
AuPo) ...49
Tab. 6-2: Beurteilung der Proben nach Fluoreszenz-Test (Versuchsserie I, Zuschlag Ki)
...49
Tab. 6-3: Beurteilung der Proben nach Fluoreszenz-Test (Versuchsserie I, Zuschlag Gr)
...50
Tab. 6-4: Beurteilung der Proben nach Fluoreszenz-Test (Versuchsserie I, Zuschlag
SNor)...51
Tab. 6-5: Beurteilung der Proben nach Fluoreszenz-Test (Versuchsserie II, ZGE AuPo-
SRet) ...62
Tab. 6-6: Beurteilung der Proben nach Fluoreszenz-Test (Versuchsserie II, ZGE Ki-
SNeu) ...62
Tab. 6-7: Beurteilung der Proben nach Fluoreszenz-Test (Versuchsserie II, ZGE Gr-
SNeu) ...62
Tab. 6-8: Beurteilung der Proben nach Fluoreszenz-Test (Versuchsserie II, ZGE Gr-
SNor)...63
Tab. 6-9: Beurteilung der Proben nach Fluoreszenz-Test (Versuchsserie III, ZGE AuPo-
SRet) ...66
Tab. 6-10: Beurteilung der Proben nach Fluoreszenz-Test (Versuchsserie III, ZGE Ki-
SNeu) ...67
Tab. 6-11: Beurteilung der Proben nach Fluoreszenz-Test (Versuchsserie III, ZGE Gr-
SNeu) ...67
Inhaltsverzeichnis
IX
Tab. 6-12: Beurteilung der Proben nach Fluoreszenz-Test (Versuchsserie III, ZGE Gr-
SNor)...67
Inhaltsverzeichnis
X
Abkürzungsverzeichnis
:
AuPo: ...Augit-Porphyrit
BB: ...Betonwürfel mit wasserundurchlässiger Beschichtung
BM: ...Betonwürfel mit Messmarken
Gr: ...Granit
Ki: ...Kies
MÖ: ...Mörtelprisma
SNeu: ...Sand Neukloster
SNor: ...Normsand
SRet: ...Sand Rethwisch
Z1: ...CEM I 42,5 N-NA
Z2: ...CEM I 32,5 R
Z3:...CEM I 42,5 R
ZGE: ...Zuschlagsstoffgemisch
1 Einleitung
1
1
Einleitung
Bei der Alkali-Kieselsäure-Reaktion im Beton handelt es sich um eine Reaktion
zwischen der reaktiven Kieselsäure in den Zuschlägen und den in der Porenlösung
gelösten Alkalien. Bei ungünstigen Bedingungen kommt es zu einer Volumenzunahme
im Umfeld der reaktiven Zuschlagskörner. Daraus resultieren dann Schäden wie Risse,
Abplatzungen (pop-outs) und Ausblühungen. Die Verhinderung dieser Schäden ist für
die
Gewährleistung
der
Dauerbeständigkeit
von
Betonkonstruktionen
von
entscheidender Bedeutung.
STANTON [24] berichtete zum ersten Mal über Treibschäden an Betonkonstruktionen
als Folge einer chemischen Reaktion zwischen alkalireichen Zementen und den
angewendeten Zuschlägen. Zur Bezeichnung dieser Schadensreaktion hat sich daraufhin
der Begriff Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) durchgesetzt.
Eine besondere Problematik dieser Schadstoffreaktion besteht darin, dass die Schäden
in vielen Ländern nicht rechtzeitig erkannt wurden. Noch 1965 war man in der BRD der
Auffassung, dass Betonschäden infolge Alkali-Kieselsäure-Reaktion unter den hiesigen
Bedingungen nicht auftreten können. Nachdem die 1965/66 erbaute Lachswehrbrücke
bei Lübeck nach drei Jahren wieder abgerissen werden musste, gab man diese Ansicht
auf [25].
Die Geschwindigkeit und Stärke der Alkali-Kieselsäure-Reaktion ist von verschiedenen,
nach inneren und äußeren zu unterscheidenden Einflüssen abhängig. Äußere Einflüsse
sind zum Beispiel das Feuchteangebot, die Temperatur oder die Zufuhr von Alkalien
von außen durch Tausalze oder Meerwasser. Art, Menge und Größe des reaktiven
Zuschlags und der eingesetzten Zemente, der die Zusammensetzung der Porenlösung
beeinflusst, sind innere Einflüsse auf die AKR.
Die vorgelegte Arbeit soll einen Einblick über die Alkali-Kieselsäure-Reaktion geben.
Zu diesem Zweck erfolgt zunächst eine Darstellung vom Mechanismus der Reaktion.
Weiterhin werden Minerale und Gesteine mit Reaktionspotenzial sowie Einflussgrößen
auf die Reaktion aufgeführt. Des Weiteren setzt sich die Arbeit mit bestehenden
Prüfverfahren zur Erkennung der AKR, Schadensmerkmalen einer schädigenden AKR
und Vorschlägen zur Vermeidung der Alkali-Kieselsäure-Reaktion auseinander.
In Deutschland kann Alkali-Kieselsäure-Reaktion an empfindlichen Gesteinen durch
Lagerung von Betonen in der Nebelkammer entsprechend der DafStb-Richtlinie [4]
nachgewiesen werden. Dieser Nachweis vollzieht sich über einen mindestens
neunmonatigen Zeitraum. Die Arbeit zielt darauf ab, verschiedene Aspekte zur
Entwicklung einer Schnellprüfmethode zum Nachweis von an Betonen darzulegen.
2 Stand des Wissens
2
2
Stand des Wissens
2.1
Historischer Abriss
Anfang der 20er Jahre wurden in den USA erstmals Reaktionen zwischen den Alkalien
des Zements und bestimmten Zuschlägen als Ursache für Betonschäden festgestellt.
1940 berichtete STANTON über die ,,alkali-aggregate-reaction" opalhaltiger Zuschläge,
die in Kalifornien beim Bau eines Staudammes verwendet wurden. Diese Schäden
führten zu umfangreichen Ursachenforschungen und Gegenmaßnahmen in den USA.
Mit Beginn der 50er Jahre ist die AKR auch in Australien bekannt. Seit Mitte der 50er
Jahre wurde aus immer mehr Ländern, darunter Kanada, Dänemark, Island und
Südafrika, von Schäden infolge AKR berichtet.
In Deutschland war man bis Mitte der 60er Jahre der Auffassung, dass es hier aufgrund
der geologischen Situation eine schädigende Alkalireaktion nicht gibt. Auf das Problem
der AKR wurde die Öffentlichkeit erst durch Schäden an der in Schleswig-Holstein
gebauten Lachswehrbrücke aufmerksam. Sie wurde in den Jahren 1965-1966 erbaut und
musste bereits im Frühjahr 1968 wegen Gefährdung der Standsicherheit wieder
abgerissen werden. In der DDR wurden erste Schäden durch die Alkali-Kieselsäure-
Reaktion in Form von Gelabscheidungen und Abplatzungen an Fertigteilen des
Plattenbaus im Jahre 1974 festgestellt. Ab Anfang der 80er Jahre traten Schäden in
Mecklenburg, Sachsen und Thüringen auf. Besonders die von AKR betroffenen
Spannbetonschwellen verursachten Milliardenschäden [22].
Bis zum heutigen Tag wurden immer weitere Schäden bekannt. Dabei handelt es sich
überwiegend um Betonkonstruktionen, bei deren Bau man die bisherigen Erkenntnisse
zur Vermeidung einer schädigenden AKR nicht beachtete. Teilweise waren es auch
ältere Bauwerke oder Konstruktionen, bei denen eine Umnutzung erfolgte. Als weitere
Ursache kommen aber auch Zuschläge in Frage, von denen eine schädigende AKR
bislang nicht bekannt war [5,16].
In Deutschland wurde 1974 aufgrund der umfangreichen Untersuchungen eine
vorläufige Richtlinie ,,Vorbeugende Maßnahmen gegen schädigende Alkalireaktion im
Beton" aufgestellt. Diese Richtlinie erfuhr eine mehrfache Überarbeitung und ist seit
der Fassung Dezember 1997 verbindlich [25].
2 Stand des Wissens
3
2.2
Mechanismus der Alkali-Kieselsäure-Reaktion
2.2.1
Übersicht über die Alkali-Zuschlag-Reaktion
Je nach Art des angegriffenen Zuschlags wird nach
Alkali-Silika-Reaktion (Alkali-Kieselsäure-Reaktion),
Alkali-Silikat-Reaktion oder
Alkali-Carbonat-Reaktion (Alkali-Dolomit-Reaktion)
unterschieden [25].
Die Alkali-Silika-Reaktion wird im deutschen Sprachgebrauch herkömmlich als
Alkali-Kieselsäure-Reaktion, kurz AKR, bezeichnet. Es findet eine Reaktion mit
amorpher Kieselsäure statt.
Vereinfachtes Prinzip der AKR:
Im Unterschied zur Alkali-Kiesel-Säure-Reaktion reagieren die Alkalien bei der Alkali-
Silikat-Reaktion mit Alumosilikaten, wobei hier leichter angreifbare Silikate betroffen
sind. Es ist anzunehmen, dass der Reaktionsmechanismus ähnlich ist. Einzelheiten über
die Reaktionsdauer und Beginn der Schädigung sind weitgehend unbekannt [24].
Die weit weniger bedeutende Alkali-Carbonat-Reaktion soll dann eintreten, wenn
Calcium- und Magnesiumcarbonat in feinkristalliner Verwachsung im gleichen
Massenverhältnis vorliegen und es durch die Einwirkung von Alkalihydroxiden zur
Umwandlung von Dolomit in Alkalicarbonat, Calcit und Brucit kommt [12].
Im Folgenden wird ausschließlich die Alkali-Kieselsäure-Reaktion näher betrachtet.
2.2.2
Chemische Reaktion der Alkali-Kieselsäure-Reaktion
Im Allgemeinen ist die Alkali-Kieselsäure-Reaktion eine chemische Reaktion zwischen
den unterschiedlichen Formen der Kielsäure (SiO
2
) aus den Betonzuschlägen und den
Alkalihydroxiden (NaOH, KOH) der Porenlösung des erhärteten Betons, bzw. von
außen eindringenden Alkalien. Das bei dieser Reaktion entstehende Alkali-Kieselsäure-
Gel wirkt durch Volumenvergrößerung infolge Wasseraufnahme treibend und kann zu
Betonschäden führen (vgl. Abb. 2-1 und 2-2)[25].
Kieselsäurehaltiger Zuschlag + Alkalihydroxid
Alkali-Kieselsäure-Gel
amorphes oder
teilkristallines
SiO
2
, z.B. Opal
oder Flint
in der Porenlösung,
überwiegend aus
dem Zement
stammend
voluminös,
treibend
2 Stand des Wissens
4
Abb. 2-1: AKR Schadensbild an einem Betonelement[25]
Abb. 2-2: Alkaliausblühungen an einem Brückenelement
Bei der Reaktion von Zement und Wasser reagieren die Hauptklinkerphasen zu
Calciumsilicathydraten und Calciumhydroxid. Gleichzeitig gehen die Alkalisulfate ihrer
hohen Löslichkeit wegen in Lösung und reagieren mit dem entstandenen Portlandit wie
folgt [28, 29]:
Daraus folgt, dass die Sulfationen für die Entstehung vom wenig löslichem
Calciumsulfat verbraucht werden.
Das entstandene Alkalihydroxid reagiert mit reaktivem Siliciumdioxid zu einem Alkali-
Kieselsäure-Gel, das unter Wasseraufnahme betonschädigende Quelldrücke erzeugen
kann (vgl. Abb. 2-3).
K
2
SO
4
+ Ca(OH)
2
CaSO
4
+ 2KOH
NaSO
4
+ Ca(OH)
2
CaSO
4
+ 2NaOH
2NaOH + SiO
2
+ nH
2
O
Na
2
SiO
3
.
nH
2
O
2 Stand des Wissens
5
Abb. 2-3: Prinzip der Alkali-Kieselsäure-Reaktion [25]
Diese Reaktion kann zum Teil noch weiterführen:
Bei Zufuhr von Feuchtigkeit können Alkalien wieder freigesetzt werden. Diese Alkali-
Ionen können sich zu anderen Reaktionsorten bewegen und in anderen Schichten des
reaktiven Zuschlags reagieren. Jene Tatsache zeigt die Gefährlichkeit dieser
Langzeitreaktion [25].
2.2.3
Dehnungsreaktionen
Die Aufnahme von Porenlösung durch das Alkali-Kieselsäure-Gel verursacht den
Dehnungsprozess. Demzufolge erfolgt eine Volumenzunahme durch Quellen (vgl. Abb.
2-4).
Das Quellen bewirkt Quelldrücke, die bis zu 20 N/mm² erreichen können. Die
Zugfestigkeit von Beton liegt aber nur bei 2 bis 5 N/mm². Ein weiterer schädigender
Vorgang wird durch den osmotischen Druck hervorgerufen, den das dickflüssige Alkali-
Kieselsäure-Gel auslöst.
Das Gel verhält sich wie eine semipermeable Wand. Das heißt, dass die Hydroxid-,
Natrium- und Kaliumionen in Richtung des reaktiven Korns eindringen können, die
Reaktionsprodukte, die Alkalisilikate, aber nicht nach außen. Im äußeren
Reaktionsraum entstehen durch die Freisetzung der weniger stabil gebundenen Alkali-
Ionen und durch Kontakt mit der Betonmatrix dichtere C-S-H-Phasen [17].
Je höher der Calcium-Anteil des Gels ist, desto geringer fällt auch seine Quellfähigkeit
aus. Kaliumhaltiges Gel ist schwächer quellfähig als natriumhaltiges Gel [25].
Bevor sich der Schwelldruck im Beton aufbaut, füllt das Alkalisilikat zunächst den
umgebenden Porenraum. Die Folge sind Spannungen in den Zuschlägen, die Risse in
Na
2
SiO
3
.
H
2
O + Ca(OH)
2
+ nH
2
O
CaSiO
3
.
nH
2
O + 2NaOH
2 Stand des Wissens
6
den Partikeln und in der umliegenden Betonmatrix verursachen. Es kann aber auch eine
komplett dichte Gel-Front entstehen, die zu Spannungen im Gesamtbetongefüge führt.
Abb. 2-4: Aufbau der Quelldruckspannung durch AKR [25]
2.3
Schadensmerkmale der Alkali-Kieselsäure-Reaktion
Die Alkali-Kieselsäure-Reaktion führt zu Betonschäden, wenn die bei der Reaktion
auftretenden Volumenvergrößerungen nicht vom Betongefüge aufgenommen werden
können. Es kommt dann zu Spannungen, die die Zugfestigkeit des Betons übertreffen.
Als Folge entstehen Risse und Abplatzungen.
Folgende Merkmale kennzeichnen eine schädigende Alkalireaktion im Beton:
äußere Schäden (sichtbar)
innere Schäden (mikroskopisch)
2.3.1
Äußere Schäden
An der Betonoberfläche treten feine netzartige Risse auf. Bei größeren Risstiefen kann
das zum völligen Verlust der Nutzungs- und Tragfähigkeit von Bauwerken oder
Betonbauteilen führen (vgl. Abb. 2-5).
Abb. 2-5: Durch AKR verursachte Risse an einem Betonbauteil
2 Stand des Wissens
7
Oberflächige Auswachsungen und/oder trichterförmige Abplatzungen entstehen durch
AKR der nahe der Betonoberfläche liegenden reaktionsfreudigen Zuschlagskörner (vgl.
Abb. 2-6).
Abb. 2-6: Durch AKR verursachte Abplatzung (Marke 2,5 mm)
Weiterhin kommt es zu anfänglich klaren und dickflüssigen Ausscheidungen, die sich
später zu trüben und relativ fest werdenden Geltropfen auf der Oberfläche des Betons
entwickeln. In diesem Fall handelt es sich um das aus dem Inneren des Betons
ausgetretene, niedrig viskose Alkali-Kieselsäure-Gel. Dieses Gel reagiert mit dem
Kohlendioxid der Luft und bildet das Alkali-Carbonat. Die weißen, punkt- bis
ringförmigen Carbonatisierungsprodukte sind aber nur an Bauteilen feststellbar, an
denen keine Abwitterung stattfindet (vgl. Abb. 2-7).
Abb. 2-7: Darstellung weißer Ausblühungen an einem Betonbauteil
2.3.2
Innere Schäden
Von außen sind an einem Betonbauteil oft keine Anzeichen der AKR zu finden. Bei
mikroskopischer Beatrachtung werden kleine, mit einem weißen Gel gefüllte Poren
2 Stand des Wissens
8
sichtbar. Bei intensiver Untersuchung werden dann Reaktionsränder der inneren
Gelbildung deutlich [9].
Um die Zuschläge herum bilden sich Reaktionsränder aus. Die innere Gelbildung wird
in Poren und Mikrorissen deutlich. Das Gel ist häufig dicht und kann in Schollen
zerbrochen sein. Am Porenrand sieht es eher glasig aus [25].
Durch das Quellen des Gels in den Zuschlägen infolge Wasseraufnahme können
osmotische bzw. Quelldrücke bis zu 20 N/mm² entstehen. Sie übersteigen um ein
Vielfaches die Zugfestigkeit der Zuschläge und des Betons von 2 bis 5 N/mm².
Anschließend kann das Alkali-Kieselsäure-Gel dank der entstandenen Risse in die
Zementsteinmatrix eindringen. Das durch die AKR hervorgerufene Rissbild besteht aus
Rissen in den Zuschlagskörnern, wobei die Risse strahlenförmig in den Zementstein
hineinverlaufen [25].
2.4
Einflussgrößen auf die Alkali-Kieselsäure-Reaktion
2.4.1
Alkaliempfindlichkeit von Zuschlagsstoffen
2.4.1.1
Ursachen der Reaktivität von Zuschlägen
Das Siliciumdioxid wird in starken Hydroxidlösungen aufgelöst. Der zeitliche Ablauf
dieser Reaktion ist aber vom kristallinen Zustand des Siliciumoxids und der
Konzentration der Hydroxidlösung abhängig.
Eine Reaktion zwischen dem Siliciumdioxid und der Hydroxidlösung findet jedoch
immer statt. Nur bei reaktiver Kieselsäure und hohem Alkaligehalt tritt eine
Betonschädigung auf.
Ursachen der Reaktivität der Kieselsäure sind nachstehende:
Störung im Kristallgitterbau
Temperatureinfluss
Korngröße
Konzentration der Hydroxidlösung.
2.4.1.2
Störungen im Kristallgitterbau
Durch die in den Zuschlägen enthaltenen Anteile stark gittergestörter Kieselsäure wird
die Alkali-Kieselsäure-Reaktion verursacht. Diese amorphen Kieselsäuren haben im
Gegensatz zu den ungestörten kristallinen Zustandsformen eine größere innere
Oberfläche. Verschiedene Ursachen bedingen diesen Zustand. Bei unterkühlten
Schmelzen sind die SiO
4
-Tetraeder ungeordnet miteinander verbunden und es haben
sich neben den normalen Sechser-Ringen auch Vierer-, Fünfer- und Siebener-Ringe
ausgebildet. Anders ist es beim Opalgestein. Hier sind bis zu 25% der Si-O-Si
Brücken durch den Einbau von Hydroxidgruppen gestört. Sie liegen jetzt in Form von
2 Stand des Wissens
9
Silanolgruppen (SiOH od. Si(OH)
2
) vor. Diese Störungen der Si-O-Si Brücken sind
auch von den Flinten bekannt. [14]
Je stärker die Struktur über die Si-O-Si Brücken gebildet wird, desto stabiler ist sie
gegenüber einer Auflösung. Verbindungen, die viele OH-Gruppen aufweisen, sind
hingegen viel anfälliger. Bei gut kristallisierten Kieselsäuren muss erst ein Einbau der
OH-Ionen erfolgen, während bei amorpher Kieselsäure bereits wesentlich mehr
Silanolgruppen durch die größere innere Oberfläche vorhanden sind [25].
2.4.1.3
Temperatureinfluss
Der Temperatureinfluss auf die Löslichkeit wurde nach [15] bewiesen (vgl. Abb. 2-8).
Mit steigender Temperatur nimmt die Löslichkeit linear zu.
Abb. 2-8: Temperatureinfluss auf die Löslichkeit von SiO
2
[15]
2.4.1.4
Korngröße
Eine Reaktion von alkaliempfindlichen Zuschlägen mit einer Korngröße kleiner als
1 mm führt in der Regel nicht zu AKR-Schäden. Aufgrund der Feinheit läuft die
Reaktion bereits ab, wenn sich der Beton noch im plastischen Zustand befindet. Hieraus
erfolgt eine Abpufferung der Alkalien [17].
2.4.1.5
Konzentration der Hydroxidlösung
Die Löslichkeit von Siliciumoxid steigt ab einen pH-Wert von 10 exponentiell an. Die
Porenlösung im Beton hat einen ph-Wert von12,5 bis 14. Die Werte über 12,5 werden
durch die in der Porenlösung enthaltenen Alkalien hervorgerufen. Diese erhebliche
Alkalität ist der Grund für die hohe Löslichkeit der Kieselsäure.
2.4.2
Alkaliempfindliche Zuschläge
Bei der Alkali-Kieselsäure-Reaktion ist in erster Linie das SiO
2
von Bedeutung. Es
reagiert in verschiedenen Modifikationen in Gegenwart von Alkalienhydroxiden. Der
Alkaligehalt im Beton wird in der Regel von den Alkalien im Zement verursacht. Um
Schäden durch AKR zu vermeiden, gibt es für den Alkaligehalt im Beton Grenzwerte.
2 Stand des Wissens
10
Die Beurteilung der siliciumoxidhaltigen Zuschläge ist schwieriger, da nicht nur
einzelne Mineralien betrachtet werden dürfen. Zur genauen Diagnose muss auch deren
Anteil und Verteilung in den Zuschlagskörnern geprüft werden [25].
Alle amorphen, kryptokristallinen und gittergestörte Siliciumoxidminerale gelten als
AKR- gefährdet. Zu diesen Mineralien gehören:
Opal
Chalcedon
Cristobalit
stark beanspruchter Quarz.
Wichtige alkaliempfindliche Zuschläge sind unter anderem:
Opalsandstein (Opal, Cristobalit)
Kieselkreide, Kieselkalke (Chalcedon, kryptokristalliner Quarz)
Flint (Chalcedon, kryptokristalliner Quarz)
Kieselschiefer (Chalcedon, kryptokristalliner Quarz)
Grauwacke (Chalcedon, kryptokristalliner und gestresster Quarz).
Auch mylonitische Granite und Porphyre sind zu den alkaliempfindlichen Gesteinen zu
zählen.
2.4.2.1
Mineralien mit einem Gefährdungspotenzial für AKR
2.4.2.1.1
Opal
Ein besonders reaktives Mineral ist Opal (siehe Abb. 2-9). Es besteht aus hydratisiertem
Siliciumoxid (SiO
2
.
nH
2
O). Opal kommt in Sandsteinen vor, ist aber schlecht
lokalisierbar, da er nicht zahlreich und konzentriert vorliegt. Er tritt in amorpher sowie
in kryptokristalliner Form auf. Schon ab einem Anteil von 0,5% besteht die Gefahr
einer betonschädigenden Alkali-Kieselsäure-Reaktion [6,19].
2 Stand des Wissens
11
Abb. 2-9: Opal [19]
2.4.2.1.2
Chalcedon
Chalcedon ist eine krypto- bis mikrokristalline Varietät des Quarzes (siehe Abb. 2-10).
Er ist im Allgemeinen gut erkennbar, da er in Form von radialstrahligen, streifigen
Quarzvarianten vorkommt [9]. Es existiert eine große Anzahl von verschiedenen
Formen, von denen Chalcedon und Achat die wichtigsten sind. Auch farblich besteht
eine große Variationsbreite von weiß bis tiefrot und blau. Die langfaserigen
Siliziumoxidkristalle sind vorwiegend in Flint, Kieselkalk und Hornstein zu finden.
Eine AKR- Gefahr besteht ab einen Anteil von 3% [6, 19].
Abb. 2-10: Chalcedon [19]
2.4.2.1.3
Cristobalit
Cristobalit setzt sich ähnlich wie Chalcedon vor allem aus Siliciumoxid zusammen
(siehe Abb. 2-11). Das Kristallsystem von Cristobalit ist kubisch und das Mineral ist
2 Stand des Wissens
12
meist von weißer bis blassgrauer Farbe. Er tritt in Form kleiner Kristalle in Lava und
anderen vulkanischen Gläsern auf. In Zuschlägen kommt Cristobalt sehr selten vor.
Cristobalit ist eine Hochtemperaturform des Quarzes und bildet sich bei 1470 °C. Ab
Anteilen von 1% besteht AKR- Gefahr [6, 19].
Abb. 2-11: Christobalit [19]
2.4.2.1.4
Quarz
Als anfällig für die AKR gelten insbesondere die mikrokristallinen oder
kryptokristallinen Quarze (siehe Abb. 2-12).
Besonders reaktiv sind gestresste Quarze. Sie sind unter tektonischer Belastung
entstanden. Es erfolgte eine Trennung in submikroskopische Teilchen, die
gegeneinander leicht verdreht sind. Gestresste Quarze kommen in reaktiven Gesteinen
wie Grauwacke vor [9].
Abb. 2-12: Quarze [19]
2.4.2.2
Zuschläge mit einem Gefährdungspotenzial für AKR
2.4.2.2.1
Opalsandstein
Opalsandsteine (siehe Abb. 2-13) trifft man in Deutschland vor allem in den durch die
Eiszeit entstandenen Zuschlagslagerstätten Norddeutschlands an. Die Opalsubstanz, die
als Bindemittel im Opalsandstein vorkommt, enthält immer Cristobalit [25].
2 Stand des Wissens
13
Abb. 2-13: Modifikationen von Opalsandstein [26]
2.4.2.2.2
Kieselkalk, Kieselkreide
Die besonders alkalireaktive Kieselkreide liegt im nordöstlichen Teil Mecklenburg-
Vorpommerns und am Alpenrand vor. Als wirksames Mineral enthält Kieselkreide
Chalcedon und kryptokristallinen Quarz. Kieselkalke und Kieselkreide unterscheiden
sich nur durch die Dichte. Der Siliziumoxidanteil schwankt zwischen 25 und 90% [25].
2.4.2.2.3
Flint
Die in Kreideformationen vorkommenden Ausscheidungen von Kieselsäure werden als
Flinte (Feuersteine) bezeichnet (siehe Abb. 2-14). In Deutschland findet man Flinte vor
allem auf der Insel Rügen und in den eiszeitlichen Ablagerungen Norddeutschlands
[19]. Flint besteht hauptsächlich aus krypto- bis mikrokristallinem Siliciumoxid
(Chalcedon bzw. Quarz). Es sind aber auch stets Anteile amorphen Siliciumoxids
(Opal) vorhanden.
Abb. 2-14: Modifikationen von Flintgestein [26]
Bei der Beurteilung der Flinte hinsichtlich einer schädigenden Alkali-Kieselsäure-
Reaktion geht man davon aus, dass nur die opalinen Flinte gefährlich sind. Opaline
Flinte sind leichte und reaktive Flinte mit einer Kornrohdichte kleiner als 2,20 kg/m³.
Flinte mit höheren Rohdichten sind normalerweise nur wenig aktiv [5, 17].
2.4.2.2.4
Kieselschiefer, Hornstein
Kieselschiefer ist ein reaktives Gestein und besteht aus Mikroquarz bzw. aus schwach
kristallinem Quarz, Chalcedon und Opal [10]. Verbreitet ist Kieselschiefer vor allem im
Thüringer Schiefergebirge und im Harz. Er kann aber auch als Sekundärbestandteil von
Kiesen, im Thüringer Becken, in Sachsen-Anhalt und im Alpenvorland auftreten.
2 Stand des Wissens
14
Hornstein ist ein unreines, grau bis rostbraunes gefärbtes Gestein aus krypto- bis
mikrokristalliner Kieselsäure (siehe Abb. 2-15). Die Übergänge zwischen Hornstein,
Kieselschiefer und Flint sind meist fließend [19].
Abb. 2-15: Hornstein [19]
2.4.2.2.5
Grauwacke
Grauwacke ist ein Begriff Harzer Bergleute aus dem 18. Jahrhundert. Darunter wird ein
sandsteinartiges Gestein aus Quarz und Feldspat verstanden (siehe Abb. 2-16).
Abb. 2-16: Grauwacke [19]
Präkambrische Grauwacke befindet sich vor allem in der Lausitz. Karbonische
Grauwacke kommt in Mitteldeutschland vor, tritt aber auch in geologisch jungen
Kieslagerstätten Mitteldeutschlands und des Alpenrands auf [19].
Aufgrund der Entstehung von Grauwacke können in ihnen alle gittergestörte und
amorphe Siliciumoxidminerale enthalten sein, die für eine schädigende Alkali-
Kieselsäure-Reaktion verantwortlich sind [9].
2.4.2.2.6
Porphyre
Unter dem Sammelbegriff Porphyre sind saure Vulkanite der Rhyolith- (Quarzpophyr)
bis Andesit- (Porphyrit) Gruppe zusammenzufassen (siehe Abb. 2-17). Schäden infolge
einer
Alkali-Kieselsäure-Reaktion
mit
Porphyr
als
Zuschlagsmaterial
sind
verhältnismäßig wenig bekannt [10].
Aus den bisher wenig untersuchten Gefügeschäden mit Beteiligung von Porphyren weiß
man, dass eine AKR abgelaufen ist, gravierende Schäden jedoch ausgeblieben sind [25].
2 Stand des Wissens
15
Abb. 2-17: Porphyre [19]
2.4.2.2.7
Weitere Gesteinsarten
Als problematisch bezüglich einer AKR haben sich auch Phyllite, Quarzite, stark
beanspruchte Granite sowie Tonschiefer erwiesen [25].
Granite sind Gesteine, welche beim Aufstieg von Magma in höhere Zonen der
Erdkruste bei langsamer Abkühlung auskristallisiert wurden. Die langsame Abkühlung
ermöglichte ein geringes, bis überhaupt nicht gestörtes Kristallwachstum [19].
2.4.2.3
Technische Produkte mit einem Gefährdungspotenzial für AKR
Auch technische Produkte wie SiC- Hartschaum und Bau- oder Duranglas verursachen
AKR- Schäden. Sie verhalten sich ähnlich wie reaktives Gestein. Deshalb wird
Duranglas wegen seiner konstanten Zusammensetzung und gleichförmigem glasigen
Gefüge als Standardzuschlag für AKR- Prüfungen verwendet [25].
2.4.3
Betonbestandteile
2.4.3.1
Art und Alkaligehalt des Zements
Eine schädigende Alkali-Kieselsäure-Reaktion ist nur dann möglich, wenn dem Beton
ein ausreichendes Angebot von Feuchtigkeit und Alkalienhydroxiden zur Verfügung
steht. Unter diesen Umständen bildet sich eine Alaklihydroxidlösung in größerer Menge
und Konzentration. Die Alkalienverbindungen stammen vorwiegend aus dem Zement
[17]. Die verschiedenen Bindungsformen des Zements sind:
sulfatisch gebundene Alkalien: sofort löslich im Anmachwasser
in Klinkermaterialien eingebaute Alkalien: werden während der C-S-H-
Phasen freigesetzt
im Hüttensand gebundene Alkalien: liegen nur teilweise in der
Porenlösung des Betons vor, weil vom Hüttensand nur ein Teil der
Alkalien als wirksame Alkalimenge an die Porenlösung abgegeben wird.
Es wird angenommen, dass äquivalente Gehalte an Natriumoxid und Kaliumoxid
analoge
Dehnungen
hervorrufen.
Dabei
soll
das
Kalium
für
schnellere
Anfangsdehnungen und das Natrium für die Enddehnungen verantwortlich sein [13].
Trotzdem ist es statthaft, die Gehalte an Na
2
O und K
2
O zu einem Gesamtalkaligehalt
2 Stand des Wissens
16
zusammenzufassen und als Na
2
O-Äquvivalent anzugeben. Der K
2
O-Gehalt ist hierbei
mit dem Faktor 0,658 zu multiplizieren, der das Molmassenverhältnis von Natriumoxid
und Kaliumoxid wiedergibt [17].
Na
2
O-Äquvivalent = Na
2
O + 0,658
.
K
2
O [M.%]
Generell findet die Alkali-Kieselsäure-Reaktion immer dann statt, wenn Beton mit
alkalihaltigem Zement und alkaliempfindlichen Zuschlägen fabriziert und sich in
feuchter Umgebung befindet. Betonschädigend ist die AKR aber erst, sobald der
Alkaligehalt des Zements einen bestimmten Wert überschreitet. Durch jahrelange
internationale Beobachtung von Bauwerken und Forschungsarbeiten gilt es als
weitgehend gesichert, dass bei einem Na
2
O-Äquvivalent
0,6 M.% keine
Schädigungen durch die Alkali-Kieselsäure-Reaktion auftreten, auch nicht bei stark
empfindlichen, z.B. opalhaltigen Zuschlägen. Diese These trifft für Betone, die aus
Portlandzement gefertigt werden und einen normalen Zementgehalt besitzen, zu [13,
17].
Bei
einem
Na
2
O-Äquvivalent
von 0,6 M.%
beträgt
die
Hydroxidionen-
Richtkonzentration 500 mmol/l. Dies ist der Wert für eine AKR- auslösende
Treibreaktion (vgl. Abb. 2-18) [28].
Abb. 2-18: Abhängigkeit der Alkalität der Porenlösung vom Alkaligehalt des Zements [25]
In der Literatur sind allerdings auch Hinweise zu finden, die Skepsis an der Richtigkeit
des 0,6 M.% Na
2
O-Äquvivalent-Grenzwertes aufkommen lassen. Untersuchungen
haben ergeben, dass eine schädigende AKR erst eintritt, wenn der wirksame
Alkaligehalt einem Na
2
O-Äquvivalent von über 0,8 M.% entspricht [13].
Für Hüttenzemente und andere Mischzemente ist der Na
2
O-Äquvivalent ungeeignet.
Zur AKR tragen nur die in der Porenlösung auftretenden Alkalien bei. Es muss also bei
Mischzementen zwischen Gesamtalkaligehalt und wirksamem Alkaligehalt differiert
werden. Der wirksame Alkaligehalt ist der Alkalianteil eines Zements, der in wirksamer
Form als Alkalihydroxid in der Porenlösung der Zementmatrix gelöst ist und die
Ursache für eine schädigende AKR sein kann [25].
2 Stand des Wissens
17
Der wirksame Alkaligehalt von Hüttenzementen kann nach folgender Beziehung
ermittelt werden [17]:
A W A G 1
H
90
A
W
: wirksamer Alkaligehalt in M.%
A
G
: Gesamtalkaligehalt im M.%
H: Hüttensandgehalt in M.%
Auch durch technische Verfahren, wie der Auspressmethode oder dem
Lösungsverfahren ist eine Bestimmung des wirksamen Alkaligehalts möglich.
2.4.3.2
Zementgehalt des Betons
Der Alkaligehalt in der Porenlösung des Betons wird neben dem Alkaligehalt des
Zements auch vom Zementgehalt im Beton beeinflusst. So sind LOCHER und
SPRUNG [17] der Ansicht, dass es sinnvoller ist, die Grenzwerte für den Alkaligehalt
bezogen auf Kubikmeter Beton anzugeben. Aus umfangreichen Untersuchungen leiteten
sie ab, dass beim Einsatz von opalhaltigen Zuschlägen der Wert von 3 kg Na
2
O-
Äquvivalent pro Kubikmeter nicht überschritten werden darf, um eine schädigende
Alkali-Kieselsäure-Reaktion zu vermeiden. Daraus entwickelten sie die so genannte
,,Düsseldorfer Grenzlinie" (vgl. Abb. 2-19).
Abb. 2-19: Grenzen der spez. Zementmenge im Beton zur Vermeidung einer schädigenden AKR in
Abhängigkeit vom Alkaligehalt des Zements [17]
Wenn der wirksame Alkaligehalt bekannt ist, kann nach folgender Gleichung der obere
Grenzwert für den Zementgehalt des Betons errechnet werden [17]:
3,0 * 100
z
max
=
,,Na
2
O-Äquvivalent"
[kg/m³]
Bei der Verwendung von Zementen mit einem wirksamen Alkaligehalt von höchstens
0,6 M.% Na
2
O-Äquvivalent und einem Zementgehalt von höchstens 500 kg/m³ ist eine
2 Stand des Wissens
18
schädigende AKR bei der Verwendung von alkaliempfindlichen Zuschlägen
auszuschließen [17].
Demzufolge sind hohe Zementgehalte nicht nur unwirtschaftlich, sondern begünstigen
die Alkali-Kieselsäure-Reaktion.
2.4.3.3
Betonzusatzmittel
Der Einfluss von Betonzusatzmitteln auf die AKR wurde bisher kaum untersucht.
Nach LENZNER [16] beinhalten vor allem Fließmittel teilweise beträchtliche
Alkaliverbindungen. Er stellte fest, dass Fließmittel die AKR zeitlich beschleunigen.
Dabei tragen Fließmittel auf Naphthalensulfonatbasis stärker zur Alkalireaktion bei als
Fließmittel auf Melaminharzbasis.
2.4.3.4
Betonzusatzstoffe
Für den Einfluss von Betonzusatzstoffen liegen zum Teil widersprüchliche Ergebnisse
vor. Bei der Untersuchungen von Betonen mit Zugabe von Flugasche zeigte sich, dass
bei der Reaktion mit reaktiven Zuschlägen ein Austausch von 5 bis 10 M.% Zement
durch Flugasche die AKR verstärken, d.h. die Dehnungen vergrößern kann. Bei einem
Austausch von rund 20 M% des Zements wurden gleiche Dehnungen des Nullbetons
festgestellt. Bei Flugascheanteilen von über 25 M% des Zements ergaben sich teilweise
drastische Verminderungen der Dehnungen infolge einer AKR [2].
In der Literatur wird der Zugabe von feingemahlenem Siliciumoxid oder Puzzolanen
insgesamt eine positive Wirkung zur Einschränkung der AKR zugesichert. Der Effekt
der Betonzusatzstoffe wird deren Vermögen zugeschrieben, die Alkalien des Zementes
zu binden bzw. abzupuffern und damit die Alkalität des Zementes zu verringern [13].
2.4.3.5
Zuschlagsstoffe
Die Mitwirkung der Zuschlagsstoffe als Alkaliquelle für die Alkali-Kieselsäure-
Reaktion wird in der Literatur zum Teil angesprochen.
So ist eine Alkaliangabe bei Granit an die Porenlösung denkbar [17].
In Südafrika untersuchte illitische Gesteine gaben Kalium ab. Bei Feldspäten kann
demzufolge auch eine Alkaliabgabe erwartet werden, da diese ähnlich gut löslich und
alkalireich sind [13].
2.4.4
Wasserzementwert
Der Einfluss des Wasser-Zement-Wertes auf die Alkali-Kieselsäure-Reaktion ist bis
heute nicht gänzlich erforscht.
Bei umfangreichen Versuchen wurde erkannt, dass bei potenziell durch Alkalireaktion
gefährdetem Beton mit wachsendem w/z-Wert die Dehnungen gleich blieben, meist
jedoch zunahmen. Eine direkte Abhängigkeit vom w/z-Wert konnte aber nicht mehr
2 Stand des Wissens
19
festgestellt werden, wenn potenziell gefährdete Betone bereits bei kleinem w/z-Wert
eine hohe Schadensstufe aufwiesen [2].
Zusammenfassend erläuterten BONZEL, KRELL und SIEBEL [2], dass eine
Vergrößerung des w/z-Wertes bei sonst gleicher Zusammensetzung des Betons und
gleichen Rahmenbedingungen zu deutlichen Schaden durch die AKR führen kann. Als
Ursache für die aufgetretene Zunahme der Schädigung bei höheren w/z-Werten kommt
die sinkende Betonfestigkeit in Betracht. Betone mit höherer Festigkeit haben im
Allgemeinen auch einen höheren Widerstand gegen Gefügestörungen durch AKR.
Die Verminderung des w/z-Wertes kann folgende Wirkungen zur Folge haben [2]:
Erhöhung der Dichtigkeit des Betons, d.h. die Alkalihydroxid-Porenlösung
erreicht die alkaliempfindlichen Zuschläge schlecht,
Erhöhung der Festigkeit des Betons, d.h. größere aufnehmbare Spannungen,
Erhöhung
der
Alkalikonzentration
in
der
Porenlösung,
dadurch
möglicherweise schnellere und frühere Reaktion, die im noch formbaren
Beton weniger schädigend ablaufen kann,
Schneller Hydrationsfortschritt und höhere Anfangsfestigkeiten des Betons,
d.h. Verminderung der Zeitspanne, in der die Alkalireaktion weniger
schädigend ablaufen kann.
2.4.5
Umwelteinflüsse
Die Bedingungen, denen Betonkonstruktionen in ihrer Nutzung ausgesetzt sind, haben
eine besondere Bedeutung für das Auslösen und den Verlauf einer AKR.
2.4.5.1
Temperatur
Wie alle chemischen Reaktionen wird die Alkali-Kieselsäure-Reaktion durch die
Temperatur beeinflusst. Bei vielen verschiedenen Versuchen wurde eine maximal
schädigende Temperatur um 40°C ermittelt. Dieses Expansionsmaximum wird darauf
zurückgeführt, dass oberhalb von 40°C die Konzentration der bei der AKR gebildeten
Alkalisilikatlösung durch Koagulation wieder sinkt.
Andere Untersuchungen ergaben für eine Maximaldehnung abweichende geringere
Temperaturen als 40 °C [13].
2.4.5.2
Luftfeuchtigkeit
Dem Feuchtigkeitsangebot kommt bei der AKR eine entscheidende Bedeutung zu. Es
gilt als sicher, dass Alkalischäden unter trockenen Nutzungsbedingungen nicht
auftreten.
In Forschungen wurde festgestellt, dass Proben, die in feuchtigkeitsgesättigter Luft
eingelagert wurden, die größten Schäden zeigten. Bei Wasserlagerung wurden unter
2 Stand des Wissens
20
sonst gleichen Bedingungen stets geringere Schäden gegenüber Luftlagerung
festgestellt [13].
Es gilt auch als ziemlich gesichert, dass wechselnde Feuchte den Reaktionsverlauf
stärker beeinflusst als eine ständige Durchfeuchtung [25].
2.4.5.3
Alkalizufuhr von außen
Eine weitere Einflussgröße kann eine Alkalizuführung von außen in den Beton
darstellen. Es ist möglich, dass Gesteine, Betonzusatzstoffe, Tausalze oder Meerwasser
der Porenlösung Alkalienhydroxide zuführen [17].
Eine Reaktion mit alkaliempfindlichen Zuschlägen ist nur dann möglich, wenn die
Alkalien als Hydroxid vorliegen. NaCl kann also nur wirksam werden, sobald das
Chlorid von dem Zement in schwerlösbarer Form gebunden wird und dann NaOH
gebildet werden kann. Da Zement nur eine geringe Menge Chlorid binden kann, ist die
Zufuhr von NaCl von außen hinsichtlich einer schädigenden AKR wenig gefährlich
[17].
2.5
Prüfverfahren
Zur Beurteilung von Zuschlägen auf ihre Alkaliempfindlichkeit bestehen weltweit
mehrere verschiedene Prüfverfahren. Dabei werden die Zuschläge meist in Zementleim
eingebettet und dann auf unterschiedlichste Art geprüft.
2.5.1
Nationale Prüfverfahren
2.5.1.1
Alkalirichtlinie
Bei den in Deutschland verwendeten Zuschlägen mit Opalsandstein und Flint aus dem
in der Alkalirichtlinie [4] geregelten Anwendungsbereich (vgl. Abschnitt 2.5.1.1.1) wird
nur der reine Zuschlag untersucht. Hierbei wird für die Kornklassen im Bereich von 1
bis 4 mm der gesamte Anteil der jeweiligen zu prüfenden Kornklasse mit heißer
4 %iger Natronlauge 60 Minuten lang versetzt und anschließend der Gewichtsverlust
bestimmt. Für die Kornklassen größer als 4 mm wird der Zuschlag durch
petrographische Untersuchung eindeutig in unempfindliche, empfindliche (Flint,
Opalsandstein einschließlich Kieselkreide) und fragliche Bestandteile getrennt.
Opalsandstein einschließlich Kieselkreide und fragliche Bestandteile der Kornklassen
über 4 mm werden mit heißer 10 %igen Natronlauge versetzt und anschließend der
Gewichtsverlust und der Anteil erweichter Bestandteile bestimmt. Die Empfindlichkeit
des Flints wird mit Hilfe einer Rohdichtebestimmung abgeschätzt. Nach Abschluss der
Prüfungen erfolgt die Einteilung in Empfindlichkeitsklassen nach [4](vgl. Tabelle 2-1).
2 Stand des Wissens
21
Tab. 2-1: Beurteilung der Alkaliempfindlichkeit von Zuschlägen einschließlich Kieselkreide und Flint [4]
Grenzwerte in M.% für die Alkaliempfindlichkeitsklassen
Bestanteile
unbedenklich
bedingt brauchbar bedenklich
Opalsandstein
einschließlich Kieselkreide
über 1 mm
0,5
2,0
>2,0
reaktionsfähiger Flint über
4 mm
3,0
10,0
>10,0
5
x
Opalsandstein
einschließlich Kieselkreide
+ reaktionsfähiger Flint
4,0
15,0
>15,0
Für Grauwacke und andere empfindliche Gesteine ist laut Alkalirichtlinie ein
Betonversuch vorgesehen. Bei dieser Prüfung werden Betonwürfel mit der Kantenlänge
von 300 mm und Betonbalken mit den Abmessungen 100 mm x 100 mm x 500 mm in
einer Nebelkammer bei 40 °C und 100 % relativer Luftfeuchte mindestens 9 Monate
lang eingelagert. Während der Einlagerung wird bei den Betonbalken der
Dehnungsverlauf und bei den Betonwürfeln die Entwicklung von Rissen festgestellt.
Treten nach der Mindesteinlagerungszeit an den Würfeln keine Risse auf und beträgt
die Dehnung der Balken weniger als 0,6 mm/m, erfolgt die Einstufung hinsichtlich einer
schädigenden Alkalireaktion als unbedenklich (vgl. Tabelle 2-2).
Tab. 2-2: Beurteilung der Alkaliempfindlichkeit von Grauwacke und anderer empfindlicher Gesteine [4]
Alkaliempfindlichkeitsklassen
unbedenklich
bedenklich
Grenzwerte für die Dehnung der
Betonbalken in mm/m
0,6
> 0,6
Rissbildung der Würfel
keine
stark
2.5.1.1.1
Anwendungsbereich der Alkalirichtlinie
Seit Dezember 1997 gilt in Deutschland die vom Deutschen Ausschuss für Stahlbeton
(DAfStb) herausgegebene Richtlinie ,,Vorbeugende Maßnahmen gegen schädigende
Alkalireaktion im Beton". Die Richtlinie besteht aus drei Teilen:
Teil 1: Allgemeines beinhaltet Punkte, die für einen eventuell
alkaliempfindlichen Zuschlag zu beachten sind. Hierzu zählen insbesondere
der Anwendungsbereich der Richtlinie und die Beschreibung der denkbaren
Gewinnungsgebiete.
2 Stand des Wissens
22
Teil 2: Betonzuschlag mit Opalsandstein und Flint behandelt die
Vorgehensweise für diese Zuschläge im Anwendungsbereich (Abb. 2-20).
Teil 3: Betonzuschlag aus präkambrischer Grauwacke oder anderen
alkaliempfindlichen
Gesteinen
behandelt
die
Vorgehensweise
bei
präkambrischer Grauwacke aus bestimmten Bereichen der Lausitz (Abb. 2-
21).
Abb. 2-20: Anwendungsbereich von Teil 2 der Alkalirichtlinie und Gewinnungsgebiete von
Opalsandsteinen und fraglichen Gesteinen sowie Flint [4]
Abb. 2-21: Gewinnungsgebiete präkambrischer Grauwacke [4]
2 Stand des Wissens
23
2.5.1.2
Infrarot-Spektroskopie
Eine weitere, aber in Deutschland nicht standardisierte Methode zur Untersuchung der
Alkaliempfindlichkeit von Zuschlägen ist die Infrarot-Spektroskopie. Im Bereich von
2600 bis 3800 cm
-1
kann damit die Anzahl der Silanolgruppen als Kriterium der
Alkaliempfindlichkeit bestimmt werden (siehe Abb. 2-22). Kieselsäuren, die in diesem
Bereich hohe IR-Absorption ausweisen, besitzen eine Tendenz zur AKR. Diese
Aussage gilt aber nur für Kieselsäuren, deren gestörte Struktur auf SiOH-Gruppen
zurückzuführen
ist.
Problematisch
bei
der
Infarot-Spektroskopie
ist
die
Probenaufbereitung, da die zu untersuchende Probe nur 20 mg beträgt [13].
Abb. 2-22: Extinktionskurven einiger Gesteins- und Mineralarten [14]
2.5.2
Internationale Prüfverfahren
2.5.2.1
NBRI Test
Als internationales zeitgemäßes Verfahren und sicherster Schnelltest hat sich der
südafrikanische NBRI Test (National Building Research Institute) durchgesetzt [25].
Dieses Verfahren wurde von vielen Ländern, darunter Italien, Frankreich und Norwegen
übernommen. Auch in Ländern, wie Australien, Kanada und den USA, in denen schon
lange intensive Forschungen betrieben werden, führte man den NBRI Test ein. Aus
der NBRI Testmethode wurde auch der RILEM Test für beschleunigte Versuche
entwickelt.
Das NBRI Verfahren lässt sich in Kürze wie folgt beschreiben [25]:
Der zu untersuchende Zuschlag wird auf eine Sieblinie im Bereich von 0,15 bis
0,75 mm gebrochen. Der Zement und der Zuschlag werden im Verhältnis 1:2,25 und
Wasser zu einem Mörtel gemischt. Die Konsistenz wird über das Ausbreitmaß
festgelegt und sollte im Bereich von 105 und 120 mm liegen. Der Mörtel wird in
Prismenformen (40 x 40 x 160 mm) gefüllt, verdichtet und bei 20 °C und rund 100 %
2 Stand des Wissens
24
relativer Luftfeuchte gelagert. Nach dem Ausschalen werden die Probekörper
24 Stunden in 80 °C heißes Wasser gelegt. Anschließend wird die Länge der Prismen
gemessen und als Referenzwert festgelegt. Daraufhin schließt sich eine Einlagerung der
Prismen in 80 °C heiße 4 %ige Natronlauge an. Der untersuchte Zuschlag gilt als
unbedenklich, wenn innerhalb von 10 Tagen eine Dehnung von 1 mm/m nicht
überschritten wird. Bei Werten zwischen 1 und 2,5 mm/m wird der Zuschlag als reaktiv
und bei Dehnungen über 2,5mm/m als stark reaktiv eingestuft.
Die in Deutschland durchgeführten Versuche mit der NBRI Methode zeigten, dass
dieses Verfahren als Schnelltest eingesetzt werden kann. Zuschläge, die den Test nicht
bestehen, müssen aber nicht zwangsläufig zu einer betonschädigenden Alkali-
Kieselsäure-Reaktion führen [25].
2.5.2.2
ASTM C 227
Ein anderes internationales Prüfverfahren ist der in der amerikanischen Norm
ASTM C 227 standardisierte Mörtelbalkentest. Hier werden Prüfkörper mit den
Abmessungen 25 x 25 x 285 mm³ bei 38 °C in eine Nebelkammer eingelagert. Als
Prüfkriterien werden die Dehnung, Verkrümmungen, Risse und Gelauscheidungen
bestimmt. Der zu untersuchende Zuschlag wird nach einer vorgegebenen Sieblinie im
Bereich von 0,15 bis 4,75 mm geprüft. Das Verhältnis von Zement und Zuschlag
beträgt auch in diesem Fall 1:2,25. Der Wasserzementwert wird mit 0,5 festgelegt. Die
mit dem Mörtelbalkentest erhaltenen Versuchsergebnisse sind nach ASTM C 227 wie
folgt zu interpretieren [13]:
Dehnungen des Prüfkörpers größer als 0,1 mm/m nach 6 Monaten, bzw.
größer als 0,05mm/m nach 3 Monaten deuten auf eine potenzielle
Alkaliempfindlichkeit hin.
2.5.2.3
Fluoreszenz - Test
Eine weitere Methode zur Erkennung und Bewertung der Alkaliempfindlichkeit von
Zuschlägen ist der Fluoreszenz - Test. Der Test ist eine Spektralanalyse, die unter
Zugabe von Gemischen die Fluoreszenz bestrahlter Stoffe zum Nachweis und zur
Identifizierung von Substanzen ausnutzt. Sind auf einer Betonfläche alkalihaltige AKR -
Neubildungen entstanden, so findet bei einer Beaufschlagung der Fläche mit einer
schwach essigsauren Uranylacetatlösung ein Austausch von Alkali-Ionen gegen
Uranylionen statt. Das Vorhandensein von Alkali-Kieselsäure-Gel wird unter UV-Licht
durch ein gelblich-grünes fluoreszierendes Leuchten angezeigt. Ablagerungen sind
begrenzt auf Risse, Luftporen und bestimmte Zuschlagstoffteilchen. Eine überschlägige
quantitative Wertung ist anhand der Intensität und des Anteils des Fluoreszierens an der
Betonfläche möglich. Eine angenommene Bewertungsskala (siehe Tab. 2-3) von 1 (kein
Fluoreszieren) bis 5 (starkes und flächendeckendes Fluoreszieren) soll die Wertung
vereinheitlichen.
2 Stand des Wissens
25
Tab. 2-3: Bewertungsskala zur Beurteilung des Fluoreszenz-Tests
Note
Bewertungs-Merkmal
1
kein Fluoreszieren
2
Fluoreszieren von einzelnen Zuschlägen
3
gleichmäßig verteilte Fluoreszenz
4
flächiges Fluoreszieren
5
starkes und flächendeckendes Fluoreszieren
Sind die Bewertungsmaßstäbe für die Note 3 erfüllt, ist am Bauwerk mit für die
Tragfähigkeit relevanten Schäden zu rechnen.
2.5.2.4
Weitere Methoden
Weitere
Möglichkeiten
der
Erkennung
und
qualitativen
Bewertung
der
Alkaliempfindlichkeit von Zuschlägen bestehen nach älteren amerikanischen
Veröffentlichungen in:
Ätztest (Ätzung polierter Zuschlagstoffe wird beurteilt)
dem so genannten ,,Gel Pat Test" [13]
Auf diese Nachweise wird hier nicht näher eingegangen.
2.6
AKR - Schadensanalyse
Bei der Vielseitigkeit der Schäden hat sich gezeigt, dass nicht nur die AKR für den
Endschaden bei einem Betonbauteil verantwortlich ist.
Erst durch die AKR
hervorgerufene Gefügeauflockerung ermöglicht ein weiteres Eindringen
von
Feuchtigkeit sowie Lösungs- und Mineralumbildungsprozesse [25].
Denkbar ist auch eine Vorschädigung des Betongefüges wegen anderer
Schadensmechanismen, durch welche die für eine schädigende Alkali-Kieselsäure-
Reaktion notwendige Flüssigkeit verfügbar wird.
Die
Erscheinungsformen
der
schädigenden
Alkalireaktion,
lokale
Volumenvergrößerung und Rissbildung an Bauteilen werden nicht nur von
baustofftechnischen Einflussgrößen gelenkt. Es sind auch Wechselwirkungen mit
anderen Einwirkungen, wie z. B. Anordnung der Stahlbewehrung oder Größe und
Verlauf der Hauptspannungen vorhanden [25].
In der Regel sind nur Bauwerke von einer AKR betroffen, bei denen die erforderliche
Feuchtigkeitszufuhr vorhanden ist. Das sind vor allem Außenbauteile wie Brücken,
Wasserbauwerke, Küstenschutzanlagen, Betonstraßen- und Flugplatzdecken sowie
Parkdecks. Um einen Schaden an einem Bauwerk analysieren zu können, ist eine Reihe
2 Stand des Wissens
26
von Untersuchungen unentbehrlich. Einen Leitfaden für eine Schadensanalyse bietet die
Abbildung 2-23 [20].
Abb. 2-23: Leitfaden für eine AKR Schadensanalyse[20]
Die Abbildung 2-23 besagt im Einzelnen:
Für jedes Bauteil am Bauwerk ist eine ausführliche Schadensanalyse
durchzuführen. Dazu gehört eine Dokumentation über die wichtigsten
Informationen, wie Ausgangsstoffe und Zusammensetzung des Betons,
Betonherstellung, Konstruktion des Bauteils und Verlauf der Schädigung.
Es sind Proben in Form von Bohrkernen (Durchmesse 100 mm) aus
geschädigten und ungeschädigten Bereichen zu entnehmen.
Des Weiteren ist eine augenscheinliche Beurteilung durchzuführen. Hier
sollen das Gefüge des Betons, die Risstiefe und breite und der verwendete
Zuschlag als Kennzeichnung verglichen werden.
Weitere Prüfungen sind die Bestimmung der Druckfestigkeit und der
Betonzusammensetzung, besonders des Zement- und Alkaligehaltes.
Bohrkerne aus geschädigten und ungeschädigten Bereichen sind in die
Nebelkammer einzulagern und die Entwicklung der Dehnung, des
dynamischen E-Moduls und der am Ende verbleibende Restdruckfestigkeit
festzustellen.
Eine mikroskopische Beurteilung von Anschliffen und Dünnschliffen liefert
Angaben zum Rissbild.
Erst nach einer Gesamtbetrachtung aller durchgeführten Untersuchungen kann eine
Aussage über eine Beteiligung der Alkali-Kieselsäure-Reaktion am Bauwerksschaden
getroffen werden.
2 Stand des Wissens
27
2.7
Vermeidung von Schäden infolge Alkali-Kieselsäure-Reaktion
Ein wirksames Mittel zur Reduzierung bzw. Verhinderung einer schädigenden Alkali-
Kieselsäure-Reaktion in Betonen ist die Zugabe von natürlichen oder künstlichen
Puzzolanen. Dabei wird die Eigenschaft einer AKR-Dehnung genutzt, durch eine große
Menge hochreaktiver Kieselsäure alle Alkalien zu binden und eine Dehnung zu
verhindern [28].
In Puzzolanen sind amorphe Kieselsäuren in Form von opalhaltigen Gesteinen,
vulkanischen Gläsern, calciniertem Kaolinit, Microsilica, Hüttensanden oder Aschen
enthalten. Die Wirkungsweise dieser Stoffe beruht hauptsächlich auf ihrer hohen
Reaktionsfähigkeit gegenüber Alkalihydroxiden.
Die Ca
2+
- Ionen der Porenlösung werden teilweise durch Puzzolane gebunden. Das führt
zu einer Verringerung des Calcium/Silikat Verhältnisses und zu einer festen
Einbindung der Alkalien in die C-S-H-Phasen bzw. in Verbindungen, in denen die
Alkalien in beinahe unlöslicher Form vorliegen.
Der Grundgedanke beim Einsatz der Puzzolane ist, dass die Reaktion zwischen Alkalien
und der sehr feinen und hochreaktiven Kieselsäure schon im Frischbeton einsetzt. Dabei
werden die Alkalien in unlösliche Verbindungen eingebunden. So kann dem Beton
keine Schädigung widerfahren.
Die Abbildung 2-24 zeigt die deutlich verminderte Dehnung durch den Austausch von
10 bzw. 20 % Zement durch eine alumolisilikatische Braunkohlefilterasche [28].
Abb. 2-24: Einfluss von Flugasche auf die axiale Dehnung von Mörtelprismen
Ein weiterer Effekt einiger Puzzolane ist die Abpufferung der OH-Konzentration auf
unter 500 mmol OH
-
/l, die somit den wirksamen Alkaligehalt auf unter 0,6 % Na
2
O-
Äquvivalent senkt.
In Island werden seit 1979 allen Zementen 7,5 % Silika zugemahlen. Diese Maßnahme
hat sich hinsichtlich der Vermeidung von AKR-Schäden außerordentlich bewährt [25].
3 Zielstellung der eigenen Untersuchungen
28
3
Zielstellung der eigenen Untersuchungen
Zielsetzung dieser Arbeit ist es, mit einem Versuchsprogramm Aspekte zur
Entwicklung einer Schnellprüfmethode zu liefern. Eine solche Methode würde für den
in der DafStb- Richtlinie Teil 3 [4] üblichen neunmonatigen Nebelkammertest eine gute
Ergänzung oder Alternative darstellen.
Mittels eines dreiteiligen Versuchsprogramms werden Mischungszusammensetzungen
zum beschleunigten Nachweis der Alkali-Kieselsäure-Reaktion an Mörtelprismen und
Betonwürfeln, angereichert mit Kies und Splitten verschiedenen Reaktionspotenzials
sowie drei Zementen unterschiedlichen Na
2
O-Aquvivalents, untersucht. Die
Untersuchungsergebnisse werden fortlaufend dokumentiert und anschließend bezüglich
des Einflusses der unterschiedlichen Zuschlagsstoffe, Zemente, Zementmengen,
Wasserzementwerte und Umweltbedingungen untereinander verglichen und bewertet.
Abschließend sollen Aussagen darüber getroffen werden, inwieweit die untersuchten
Methoden sich zum Nachweis der Alkali-Kieselsäure-Reaktion eignen.
4 Versuchsprogramm
29
4
Versuchsprogramm
Das Versuchsprogramm untergliedert sich in drei verschiedene Abschnitte:
Versuchsserie I Mörtelprismen:
In der Versuchsserie I wurden mit gemahlenen Zuschlägen und Normsand, unter
Verwendung von Zement und Wasser, Mörtelprismen mit den Abmessungen
40 x 40 x 160 mm³ hergestellt. Mit drei im Na
2
O-Äquvivalent unterschiedlichen
Zementen und vier Zuschlagsstoffen unterschiedlichen Reaktionspotenzials
wurden zwölf Varianten der Mischungszusammensetzung entwickelt. An den
Stirnseiten sind die Prismen mit Messzapfen versehen worden, die sich für die
regelmäßige Dehnungsmessung als erforderlich zeigten.
Versuchsserie II Betonwürfel mit Messmarken:
In
der
zweiten
Versuchsserie
wurden
mit
vier
verschiedenen
Zuschlagsgemischen, drei sich im Alkaligehalt unterscheidenden Zementen und
Wasser zwölf Varianten von Betonrezepturen entwickelt. Daraus erfolgte die
Fertigung von Betonwürfeln mit einer Kantenlänge von 150 mm. An vier
Außenflächen
wurden
Messmarken
angebracht,
um
regelmäßige
Dehnungsmessungen durchzuführen.
Versuchsserie III Betonwürfel mit wasserundurchlässigen Beschichtung:
Der dritte Abschnitt beinhaltet die Herstellung von Betonwürfeln (a = 150 mm)
mit den gleichen Betonrezepturen aus Abschnitt 2. Nach der Herstellung der
Probekörper schloss sich dem Ausschalen ein Auftragen mit einer
wasserundurchlässigen Schicht an. Diese Schicht hat den Zweck, die
Alkalireaktion nur mit dem im Beton gebundenen Wasser nachzuweisen. Eine
regelmäßige Volumenmessung soll den Nachweis für eine ablaufende AKR
bringen.
5 Versuchsdurchführung
30
5
Versuchsdurchführung
5.1
Kenngrößen der Ausgangsstoffe
5.1.1
Zemente
Zur Herstellung der Mörtelprismen und der Betonwürfel wurden drei Zemente
eingesetzt. Zum Einsatz kamen ein CEM I 42,5 N-NA (im Folgenden mit Z1
bezeichnet), ein CEM I 32,5 R (Z2) und ein CEM 42,5 R (Z3).
5.1.1.1
Bestimmung des Alkaligehalts der Zemente
Die Materialien hatten den in der Tabelle 5-1 angegebenen Alkaligehalt. Ein deutlicher
Unterschied ist beim Na
2
O-Äquivalent zu erkennen.
Tab. 5-1: Alkaligehalt der verwendeten Zemente in M.-%
CEM I 42,5 N NA
(Z1)
CEM I 32,5 R
(Z2)
CEM I 42,5 R
(Z3)
SO
3
3,26
3,75
4,35
K
2
O
0,452
1,815
1,815
Na
2
O
0,271
0,297
0,173
Na
2
O-Äquivalent
0,568
1,491
1,367
5.1.1.2
Bestimmung der Festigkeit der Zemente
Für die Zemente wurden nach DIN EN 196 und 196-1 die Druckfestigkeit und die
Biegezugfestigkeit geprüft. Die Zemente hatten die in der Tabelle 5-2 angegebenen
Festigkeiten.
Tab. 5-2: Festigkeiten der verwendeten Zemente
CEM I 42,5 N NA
(Z1)
CEM I 32,5 R
(Z2)
CEM I 42,5 R
(Z3)
Druckfestigkeit
[N/mm²]
64,93
48,54
64,04
Biegezugfestigkeit
[N/mm²]
9,96
8,83
9,47
Details
- Seiten
- Erscheinungsform
- Originalausgabe
- Jahr
- 2004
- ISBN (eBook)
- 9783832477189
- ISBN (Paperback)
- 9783838677187
- DOI
- 10.3239/9783832477189
- Dateigröße
- 13.1 MB
- Sprache
- Deutsch
- Institution / Hochschule
- Universität Rostock – Bauingenieurwesen
- Erscheinungsdatum
- 2004 (Februar)
- Note
- 1,7
- Schlagworte
- nebelkammer fluoreszenz mörtelprisma betonwürfel literatursichtung
