FG Baustoffe und Bauchemie
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It is well known that SCMs containing alumina can prevent the damaging alkali silica reaction in concrete. This paper deals with the direct interactions between aggregate grain surfaces (quartzitic rock material Q1) and the dissolved amounts of SCMs (metakaolin, aluminum hydroxide). Investigations have confirmed that the presence of such SCMs can strongly decrease the silica release from aggregates in comparison to solubility experiments without SCM addition. The reason for this effect is the formation of a thin alumina containing layer (some nanometers thick) on the grain surfaces. The existence of this layer could be determined by XPS. Only this method provides data of the strongly increased alumina concentration in a thin surface area and also of the layer thickness in dependence on reaction parameters. Dissolution experiments of grains coated with such layer demonstrate the effectiveness of this process and can give a further contribution for understanding the preventing mechanisms of SCMs.
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.
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.
The knowledge of dissolution processes of aggregates and supplementary cementing materials (SCMs) in alkaline solutions can help to describe the expansion of concretes caused by alkali-silica reaction (ASR) and the effects to avoid ASR by using SCMs in more details. Therefore, dissolution experiments in alkaline solutions under different pH values and different temperatures were performed using aggregates in the original grain size and SCMs in different ratios. The concentrations of soluble silica and additionally alumina were determined by ICP-OES. The investigations showed that up to now the “best” conditions to explain the damage behavior of concrete structures are a pH value of 13 (e.g. 0.1 M KOH solution) and a temperature of 80 °C. The evaluation bases on the parameter “excess silica” which is calculated from the dissolved silica and alumina of the aggregates and the SCMs. It was demonstrated that SCMs reduce and sometimes stop the dissolution of aggregates. The efficiency of the SCMs depends on their amount and chemical composition.
There is a huge potential for the resource conservation and for reduction of CO2 emissions by using industrial by-products, as well as natural slags or ashes in a precise and high-class manner. Apart from mineral coal fly ash, which is used and certificated as an additive for concrete, especially lime- rich fly ashes with their latent hydraulic and puzzolanic properties offer a variety of possibilities in the high quality production of small-sized components like bricks.
Fine-grain-mixtures from different clays and fly ashes were homogenized and plasticized by the addition of water in an Eirich-mixer. The added amount of ash was varied from 10 to 30 wt%. Out of these mixtures, test items with a sufficient strength for transport were moulded in an extrusion process.
The test samples were stored under various humidity conditions (RH= 33, 65 and 88 %) at 20 °C and, subsequently after different times of self-hardening (28, 70 and 105 days), tested on their strength and durability.
Compressive strength up to 15 MPa was achieved. In order to reach that result, at least 20 wt% of the clay should be substituted by ash to get an increase in strength compared to the pure clay samples.
Further examinations have shown that it is possible to prevent the destruction by capillary water absorption of pure clay/loam specimens by an optimal use of ash in the recipes. Overall, it can be stated that due to the self-hardening potential of these mixtures there is no need for an energy-intensive and highly CO2 emitting combustion process, if the clay is substituted in fine grain mixtures by high lime component fly ashes.
Metakaolin used as a SCM in concrete is obviously a very good tool to improve the resistance against acid and alkali attack too. Even if, finally, the mechanisms are not fully understood until now, lower mass loss (acid attack) or lower expansions (ASR) are showing their efficiency. Metakaolin, burnt by using relatively pure natural kaolin clays, contains Al2O3 and SiO2 only with a ratio of approx. one. The question is: Are there any
other clays maybe also in mixtures which are suitable for use as an admixture for concrete or even as a binder? This research work has a strong regional reference. Three clays from Lower Lusatia were selected. The clays and a wide range of mixtures too were burnt at different temperatures (between 600 to 700 °C) to find out the “best” results for such materials. The mixing process has also the background to eliminate fluctuations in the compositions of the clays. A continuous working rotary kiln with
a continuous supply of clay materials was used for the production of calcined clay samples. Using this equipment, the rate of heating and the duration of stay of the material under almost practical conditions can be varied. Mineralogical compositions, measured before and after heating, confirm the formation of
amorphous phases already under relatively low temperature conditions in dependence on the clay mineral species and the mixing relations. Reactivity (activity index and solubility in alkaline solutions) of each sample were determined and mortar bars were produced. In dependence on their reactivity
parameters the so produced calcined clay samples influence mechanical and durability properties of concrete structures. The aim of this research project is to produce concrete bars with such calcined clay as a SCM and store them under extreme conditions in some of the Lusatian lakes.
Die schädigende Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) im Beton stellt in Teilbereichen nach wie vor ein Problem bei der Bewertung der Dauerhaftigkeit von Beton dar. Eine der häufigsten Fragestellungen ist immer noch eine schnelle und sichere Beurteilung der Alkaliempfindlichkeit von Gesteinskörnun-gen für die Betonherstellung. Darüber hinaus erscheint in Zeiten der Ressourceneinsparung der Aus-schluss von Gesteinskörnungen auf Grund unzureichender Kenntnis der Alkaliempfindlichkeit nicht zukunftsorientiert. Weiterhin wird oft nur die makroskopische Betrachtung von Betonen oder Mör-telprismen zur Beurteilung der Alkaliempfindlichkeit von Gesteinskörnungen herangezogen, wobei die bei der AKR stattfindenden Prozesse nicht genügend berücksichtigt werden.
In der vorliegenden Arbeit wurde der Beitrag von Gesteinskörnungen zur AKR im Beton untersucht, um die Alkaliempfindlichkeit von Gesteinskörnungen zu quantifizieren und die zu erwartende Schädi-gung des Betons durch die Gesteinskörnung detaillierter als bisher klassifizieren zu können. Im Vor-dergrund der Arbeit stand dabei das Verständnis der Auflösungsprozesse von Gesteinskörnungen in KOH-Lösungen (pH ≥ 13) bei unterschiedlichen Reaktionsbedingungen.
An vier Gesteinskörnungen wurde der 40 °C-Betonversuch durchgeführt, um die Alkaliempfindlich-keit der Gesteinskörnungen zu dokumentieren. Weiter wurden die Gesteinskörnungen mit dem Schnellprüfverfahren untersucht sowie petrografisch und mineralogisch begutachtet. Dabei stimm-ten die Ergebnisse nur teilweise mit denen des 40 °C-Betonversuchs überein. Anhand von Löseversu-chen an den originalen Lieferkörnungen der Gesteinskörnungen bei 40 °C und mit 1,0 M KOH-Lösung war es möglich, die Reaktivität der Gesteinskörnungen mit den ermittelten SiO2- und Al2O3-Konzentrationen der alkalischen Lösungen zu beschreiben. Bei den Untersuchungen von verschiede-nen Varianten zur Beschleunigung der Löseversuche konnten durch eine erhöhte Temperatur von 80 °C und eine abgesenkte Konzentration der KOH-Lösung von 0,1 M innerhalb von 56 Tagen ver-gleichbare Ergebnisse zu den Resultaten der Löseversuche bei 40 °C und 1,0 M KOH-Lösung erreicht werden.
In der alkalischen Lösung wird ein bestimmter Teil des gelösten SiO2 durch ebenfalls vorhandenes Al2O3 alumosilikatisch gebunden. Der verbleibende Teil des gelösten SiO2 steht für eine AKR zur Ver-fügung. Aus der zeitabhängigen Darstellung dieser SiO2-Konzentration wurde die Lösegeschwindig-keit ermittelt. Dabei wurden vier aufeinanderfolgende Phasen dem Dehnungs- und Rissbreitenverlauf der Probekörper des 40 °C-Betonversuchs zugeordnet. Zur Beurteilung der Alkaliempfindlichkeit ei-ner Gesteinskörnung sind die Lösegeschwindigkeiten der letzten drei Phasen entscheidend.
Nach der Entwicklung dieser Vorgehensweise an den vier untersuchten Gesteinskörnungen wurde diese Methode bei weiteren Gesteinskörnungen angewendet. Die ermittelten Lösegeschwindigkeiten stellten ebenfalls ein exaktes Abbild der Ergebnisse des 40 °C-Betonversuchs dar. Die entwickelte Methode bietet eine Möglichkeit, die Alkaliempfindlichkeit einer Gesteinskörnung schnell, sicher und genauer als bisher zu bestimmen. Besonders vorteilhaft sind dabei die direkte Prüfung der Gesteins-körnung an der originalen Korngröße (Lieferkörnung), wie diese auch im Beton eingesetzt wird, die zementunabhängige Prüfung, sowie die einfache experimentelle Durchführung und Auswertung.
Darüber hinaus zeigte sich bei der Anwendung der Methode, dass neben der Gesteinskörnung selbst auch der Einfluss von Zusatzstoffen auf die Löslichkeit von Gesteinskörnungen beurteilt werden kann. Erste Ergebnisse belegen den löseinhibierenden Effekt des aluminiumhaltigen Zusatzstoffes Me-takaolin durch die Blockierung der Oberfläche einer reaktiven Gesteinskörnung im Alkalischen.
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.