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Starting from expansion measurements on concrete prisms, produced with two different alkali reactive aggregates, the influence of two aluminium containing SCMs on the expansion of concrete prisms and on the solubility of the aggregates in an alkaline solution were investigated. The solubility of aggregates in an alkaline solution reflects the alkali reactivity of the corresponding aggregate.
Initially, the solubility experiments with the aggregates and SCMs were made separately and then in mixtures of each aggregate and SCM. In a further step, the SCMs were stored in KOH solutions
containing Ca(OH)2. The concentrations of SiO2 and Al2O3 were determined to investigate the effect of calcium on the solving processes of SCMs. The combination of concrete expansion test and
dissolution experiments of two alkali reactive aggregates and two aluminium containing SCMs allows first conclusions about the influence of such SCMs on the reactivity of aggregates.
Changes of pore solution composition under accelerated mortar bar and concrete prism test conditions
(2012)
Accelerated tests of mortar bars and concrete prism were carried out at temperatures ≥ 40°C in order to reduce the test duration. Because the OH-/SO42- equilibrium is shifted to lower values with increasing
temperature and alkali content of the cement, there exists the possibility of side reactions between sulphate ions from the cement and aluminate ions which can come from mineral admixtures and aggregates. Solubility measurements of two types of aggregates in sulphate free KOH solutions indicate that the temperature effect on the silica releasing rate is bigger than the inhibiting effect of the decreasing OH- concentration. To avoid side reactions during aggregate test procedure, expansion measurements should be performed at 40°C in combination with adapted solubility measurements.
Supplementary cementing materials (SCMs) are an important part of modern concrete structures. Their use has many advantages (reduction of the cement amount, improvement of the durability and therefore CO2 reduction). For example certain SCMs added to concrete mixtures can avoid the alkali-silica reaction (ASR). But such materials have a wide range of composition and therefore the mechanisms can be very differently. The knowledge of dissolution processes of aggregates and SCMs separate and together in alkaline solutions can help to understand the damage of concretes caused by ASR and the effects to avoid ASR in more details. Many dissolution experiments were performed in highly alkaline solutions (KOH) under CPT conditions (pH 14, 40°C) using aggregates in original grain sizes and Si and Al containing SCMs in different ratios. Also Calcium hydroxide was added to investigate the influence of calcium ions as a main part of the pore solution. The concentrations of soluble silica and alumina were determined by ICP-OES. Such dissolution experiments, with which an interaction was settled between the aggregate and the SCM via the alkaline solution, arose that under specific conditions the dissolution of aggregates was strongly influenced. Obviously both main constituents of concretes interact with each other. Additionally effects of the dissolved calcium ions must be considered. It was found that the efficiency depends on the amount and chemical composition of the SCMs used and on the reactivity of aggregates.
The use of supplementary cementing materials (SCMs) added to concrete mixtures can avoid the alkali-silica reaction. Such materials have a wide range of composition and therefore the inhibition mechanisms can be very differently.
The effectiveness of SCMs which provide silica and alumina into the alkaline solution cannot only be explained by reducing the OH--concentration of the pore solution. From dissolution experiments in potassium hydroxide solutions, an interaction was noted between the aggregate and five SCMs via the alkaline solution. Under specific conditions, no silica is released from the aggregate grains.
Mineralogical investigations (XRD, SEM+EDX) of the grain surfaces confirm that quartz is the main source of silica. In the presence of alumina providing SCMs, the quartz dissolution is strongly reduced or even sometimes stopped. On surfaces of grains a very thin layer can be observed which is probably responsible for reduction or stopping of the silica dissolution and therefore for the inhibition of ASR.
Auch 75 Jahre nach einem ersten dokumentierten Schadensfall stellt die Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) ein aktuelles Problem dar, wenn es um die Fragestellung der langfristigen Vermeidung von Schäden im Beton durch diese chemische Reaktion geht. Neben dem
Austausch der Gesteinskörnung und/oder der Verwendung von Zementen mit niedrigen wirksamen Alkaligehalten werden international bereits derartige Schäden durch die Verwendung von mineralischen Betonzusatzstoffen im Beton maßgeblich vermindert. Es ist
bekannt, dass die Wirkung dieser Betonzusatzstoffe in der Zementsteinmatrix unter konstanten Bedingungen, wie Zementart, Wasser/Zement-Wert und gleichem Austauschgrad entscheidend von der Gesteinskörnung abhängt. Das ist ein Indiz dafür, dass
Wechselwirkungen zwischen Betonzusatzstoff und Zementsteinmatrix aber auch zwischen Betonzusatzstoff und Gesteinskörnung auftreten. Einen besonderen Einfluss hat dabei das gelöste Aluminium aus den Zusatzstoffen, deren Wirkungsweise aber noch nicht ausreichend geklärt ist. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Aufklärung und dem Vergleich der Wirkungsweise aluminiumhaltiger Betonzusatzstoffe unterschiedlicher Art und Herkunft und
deren Wechselwirkungen sowohl mit der Porenlösung als auch der Zementsteinmatrix. Die Spannweite der untersuchten Zusatzstoffe reicht dabei von rein siliciumhaltigen Zusatzstoffen, wie Microsilica, über aluminium-/siliciumhaltige (z.B. Metakaolin) bis hin zu rein aluminiumhaltigen Zusatzstoffen. Als Ausgangspunkt wurden Betonproben mit einer alkalireaktiven Gesteinskörnung
untersucht, bei denen ein teilweiser Austausch des Zementes durch die Zusatzstoffe mit unterschiedlichen Aluminiumgehalten erfolgte. Anhand der Dehnungen der Betonbalken, gelagert bei 40°C in der Nebelkammer, konnten erste deutliche Unterschiede hinsichtlich der
dehnungsreduzierenden Wirkung der Zusatzstoffe in Abhängigkeit von der Lagerungsdauer unter konstanten Bedingungen gezeigt werden.
In einem zweiten Schritt galt es, dass Löseverhalten der Zusatzstoffe in alkalischer Lösung unterschiedlicher Konzentrationen (1M bzw. 0,1M KOH-Lösung) sowohl bei 40°C als auch bei 80°C und mit unterschiedlichen Feststoff/Laugenverhältnissen zu untersuchen. Dabei zeigte sich unabhängig von den Lagerungsbedingungen und dem Feststoff/Laugenverhältnis in der Lösung, dass aus den untersuchten Zusatzstoffen unterschiedlich hohe Mengen an SiO2 und Al2O3 gelöst werden, die nicht mit der chemischen Zusammensetzung identisch
sind. Der Vergleich mit den Ergebnissen aus dem Betonversuch ergab keinen direkt proportionalen Zusammenhang zwischen den SiO2- und Al2O3-Konzentrationen in der alkalischen Lösung und den Dehnungen im Beton. Es konnte jedoch nachgewiesen werden, dass sowohl Silicium als auch Aluminium in ausreichender Konzentration aus dem
Zusatzstoff gelöst werden müssen, wobei das Si/Al-Verhältnis entscheidend ist, um eine dauerhafte AKR-vermeidende Wirkung im Beton zu erreichen. Untersuchungen an Zement/Zusatzstoffmischungen sollten neue Erkenntnisse über die stofflichen Veränderungen sowohl am erhärteten Zementstein als auch in der ausgepressten
Porenlösung liefern, die wesentlich durch die Zusatzstoffe beeinflusst werden. Die Analyse der Porenlösung zeigte, dass durch rein aluminiumhaltige Zusatzstoffe die Konzentrationen
an Hydroxid-, Sulfat- und Alkaliionen gegenüber der reinen Zementpaste von Beginn an deutlich erhöht werden, wohingegen rein siliciumhaltige Zusatzstoffe zu einer Absenkung dieser Konzentrationen führen. Durch den Vergleich mit den Dehnungen des Betonversuchs konnte nachgewiesen werden, dass die Zusatzstoffe, die neben Aluminium auch Silicium in ausreichender Konzentration lösen, im Wesentlichen sowohl durch die Absenkung der Hydroxid- und Alkaliionenkonzentration als auch durch die Bildung zusätzlicher C-S-Hund/ oder C-A-S-H-Phasen eine Dehnungsreduzierung bewirken.
Darüber hinaus zeigte sich, dass die Mischung eines silicium- mit einem aluminiumreichen Zusatzstoff in gleichen Anteilen es zwar ermöglicht, die Wirkungen eines nachweislich AKRvermeidenden
Zusatzstoffes auf die Porenlösung und die Zementsteinmatrix annähernd nachzustellen, die langfristige Dehnungsreduzierung mit dieser Mischung im Beton jedoch nicht erreicht werden konnte. Die Ursache liegt vermutlich in der weitaus höheren SiO2- Konzentration in der alkalischen Lösung, d.h. es wird deutlich weniger Aluminium aus der Zusatzstoffmischung gelöst als für eine dehnungsreduzierende Wirkung benötigt wird. Daraus lässt sich schlussfolgern, dass es neben den nachgewiesenen Wechselwirkungen zwischen Zusatzstoff und alkalischer Lösung bzw. Zementsteinmatrix weitere Reaktionen
insbesondere auch mit der Gesteinskörnung gibt, die entscheidend für die dauerhafte Vermeidung einer AKR im Beton durch die Zugabe von Zusatzstoffen sind.