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Alkali-silica reaction (ASR) is a chemical reaction within concrete which can lead over time to cracking and spalling. Due to the complexity of the problem, it still causes damage to concrete constructions worldwide.
The publication aims to illustrate the interdisciplinary research of the German Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM) within the last 20 years, considering all aspects of ASR topics from the macro to the micro level. First, methods for characterization and assessment of ASR risks and reaction products used at BAM are explained and classified in the international context. Subsequently the added value of the research approach by combining different, preferably nondestructive, methods across all scales is explained using specific examples from a variety of research projects. Aspects covered range from the development of new test-setups to assess aggregate reactivity, to analysis of microstructure and reaction products using microscopical, spectroscopical and X-ray methods, to the development of a testing methodology for existing concrete pavements including in-depth analysis of the visual damage indicator and the de-icing salt input using innovative testing techniques. Finally, research regarding a novel avoidance strategy that makes use of internal hydrophobization of the concrete mix is presented.
Alkali-Kieselsäure-Reaktion in Betonfahrbahndecken unter Berücksichtigung von Verkehr und Taumitteln
(2019)
In Betonfahrbahndecken treten häufig Schäden auf, welche mit einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) in Verbindung gebracht werden. Obwohl die Hintergründe einer solchen AKR intensiv untersucht wurden, gibt es bei Betonfahrbahndecken besondere Randbedingungen, welche die Schadreaktion signifikant erhöhen können. Diese sind vor allem die Überlagerung der mikrostrukturellen Degradation durch Verkehrsbeanspruchung mit externer Alkali-Zufuhr durch Taumittel. Bisherige Untersuchungen der AKR beschränkten sich auf die Ausgangsstoffe (Gesteinskörnung, Zement, Bewertung des Betons), wobei die besonderen Randbedingungen außer Acht gelassen wurden. Betonfahrbahndecken sind zyklischen Belastungen aus Verkehr und Witterungsbedingungen ausgesetzt.
In einem gemeinschaftlichen Forschungsprojekt wurden die verschiedenen, gegenseitig voneinander abhängigen, Einflussfaktoren auf eine schädigende AKR in Betonfahrbahndecken sowohl experimentell untersucht als auch numerisch modelliert. Auf Mikro-Ebene wurden die AKR-bezogenen Transportprozesse innerhalb der Gesteinskörnung, sowie die Gelbildung und der Ionen-Transport, untersucht. Auf Meso-Ebene fokussierte das Projekt auf die Charakterisierung der durch zyklische Belastung induzierten Schädigung im Mikrogefüge des Betons. Des Weiteren wurde das Transportverhalten in ein derart geschädigtes Betongefüge mit und ohne Berücksichtigung des zusätzlichen Einflusses überrollender Reifen beschrieben und dessen Auswirkung auf eine AKR analysiert. Schließlich wurde auf Makro-Ebene das Risiko eines AKR-bedingten Schadens bewertet. Einige ausgewählte Ergebnisse werden in diesem Beitrag dargestellt.
Der 60 °C-Betonversuch ist eine in Deutschland und international verbreitete Methode um die Empfindlichkeit von Gesteinskörnungen und Betonen hinsichtlich einer Alkali-Kieselsäure Reaktion (AKR) zu prüfen. Dieser Beitrag stellt eine neuentwickelte automatisierte Variante der Prüfmethode in einem Minireaktor vor. Dabei werden die Dehnungen von Betonprismen nicht, wie beim konventionellen Test manuell, sondern automatisch in entsprechend ausgerüsteten Prüfbehältern gemessen. Neben einer Reduzierung des Messaufwands bringt die automatisierte Prüfung im Minireaktor weitere Vorteile. Die Dehnungssignale werden, anders als bei der konventionellen Messung, quasi-kontinuierlich aufgezeichnet und bilden das Expansionsverhalten der Prismen detailliert ab. Außerdem bleiben Unterbrechungen der AKR-provozierenden Lagerung aus, die bei der konventionellen Prüfung notwendig sind. Im Beitrag werden die automatisierte und konventionelle Prüfung anhand der Dehnungen von Prismen zweier Gesteinskörnungen verglichen. In Übereinstimmung mit vorhergehenden Untersuchungen sind im Minireaktor gemessene Dehnungen systematisch kleiner als manuell gemessene. Als mögliche Ursache werden Unterschiede im Auslaugverhalten experimentell untersucht. Zur Überprüfung der Einstufung der zwei Gesteinskörnungen erfolgen außerdem Referenzprüfungen in der Nebelkammerlagerung bei 40 °C.
Materials that support natural biodiversity on their surfaces can compensate for human activities that have a negative impact on nature and thus contribute to a carbon-neutral and nature-positive world. Specifically designing bioreceptive materials which favor the growth of biofilms on their surface is an approach complementing conventional, macroscopic green façades. But what exactly characterizes a bioreceptive substrate and how do biofilm and substrate interact? How and why does a spontaneous colonization and the formation of biofilms take place? What are biofilms and how can they be established in a laboratory setting? How can this existing knowledge be transferred to the artificial stone concrete so that this material can be tuned to increase (or decrease) its bioreceptivity?
This review paper aims at summarizing the existing state of knowledge on bioreceptive concrete and pointing out inconsistencies and contradictions which can only be removed by more interdisciplinary research in the field.
The susceptibility of concrete structures due to alkali–silica reaction (ASR) can be assessed by means of ASR concrete prism testing at 60 °C, according to RILEM AAR 4.1. There, expansion of concrete prisms indicates alkali-reactivity of the examined concrete mix. This work applies in situ expansion measurement to accelerated concrete prism testing. Automated measuring facilitates both storage without the usually necessary interruptions for manual measurement and acquisition of quasi-continuousexpansion data. A comparative experimental programme showed that conventional testing resulted in stronger expansion and leaching of alkalis than automated testing. Experimental simulation of interruptions, typically associated with manual measurements in conventional testing, could prove the influence of these cooling–heating cycles. Two phenomenological approaches, frequently used for describing reaction kinetics of ASR by linking it to expansion results from ASR-testing, were validated with continuous expansion data of three types of aggregate. Experimental expansion depicted s-shaped curves similar to them of the modelling approaches. However, strong swelling recorded in the beginning of the test was not covered by the model curves. Auxiliary measurement of acoustic emissions and ultrasonic velocity helped characterising mechanisms such as hydration and cracking, which also influence prism expansion. The proposed modification of the measurement procedure provides an extended basis to analyse expansion mechanisms. Regarding data for validation of ASR-expansion models, continuous expansion results are preferable to conventional test results.
Fused cement clinker can be produced from molten basic oxygen furnace slag (BOFS) by way of a reductive thermochemical treatment. During the thermochemical treatment, oxidic iron is reduced to metallic iron and separated. The resulting low-iron slag has a chemical and mineralogical composition similar to ordinary Portland cement (OPC) clinker. In this study, the hydraulic reactivity of the fused clinker from BOFS with and without gypsum was investigated using isothermal calorimetry, differential scanning calorimetry, in situ X-ray diffraction and powder X-ray diffraction. Furthermore, a synthetic fused clinker without foreign ions and fused clinker produced by a mixture of both materials was studied. The hydraulic reaction of the fused clinker from BOFS was considerably slower than that of OPC. However, the reaction can be accelerated by adding gypsum as a sulfate carrier. Furthermore, the results showed an increased reaction rate with decreasing content of foreign ions such as Fe, P or Mn.
Einfluss einer druckschwellinduzierten Degradation von Fahrbahndeckenbeton auf die schädigende AKR
(2020)
In den letzten Jahren sind im deutschen Bundesautobahnnetz verstärkt Schäden an vor 2005 errichteten Betonfahrbahndecken aufgetreten, die mit einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) in Verbindung gebracht werden. Neben dem AKR-fördernden Einfluss von alkalihaltigen Taumitteln werden Fahrbahndecken zyklischen mechanischen Belastungen infolge des Verkehrs und Zwangsspannungen durch klimatische Einwirkungen ausgesetzt. Solche mechanischen Belastungen werden bisher in keinem AKR-Prüfverfahren berücksichtigt. Die zyklischen Belastungen können zu einer Degradation des Betongefüges führen, die ggf. einen AKR-fördernden Einfluss hat. Dieser Beitrag stellt Untersuchungen vor, die zur Beantwortung der Frage nach dem Einfluss einer zyklischen mechanischen Belastung auf den AKR-Schadensprozess beitragen. Dabei wird der Hypothese nachgegangen, dass die ermüdungsinduzierte Degradation zu einer Erhöhung des Stofftransports führt.
Dieser hat einen Einfluss auf die AKR-Schadensentwicklung, da die Reaktionspartner zunächst zum Reaktionsort transportiert werden müssen. Daher wird angenommen, dass sich mit dem Stofftransport auch die AKR-Schädigung verstärkt. Es werden Betonproben aus typischen Fahrbahndeckenbetonen einer vorgeschalteten zyklischen Druckschwellbelastung ausgesetzt.
Die Degradation infolge der Vorbelastung wird simultan mittels ZfP-Verfahren charakterisiert. Anschließend werden die Auswirkungen der zyklischen Vorschädigung auf den Stofftransport sowie auf die AKR vergleichend an Prüfkörpern ohne und mit Vorschädigung untersucht. Die Ergebnisse lassen den Schluss zu, dass die zyklische Vorschädigung sowohl den Stofftransport als auch die AKR fördert.
Ultra high performance concrete (UHPC) is characterised by its high compressive strength of more than 120 MPa and its high durability. With thermal treatment at 90°C, hydration is accelerated and a strength comparable to the 28-day strength can be achieved immediately after the treatment. In applying Optimum process conditions, the strength can be even further increased by up to 30%. Previous Research showed that thermal treatment can lead to inhomogeneities in form of a visible zonation within the cross-section, if the UHPC is not protected sufficiently from desiccation. This led to the question, to what extent the related changes in mechanical properties, microstructure and phase composition are of relevance for the performance of the UHPC. First investigations of small specimens thermally treated without protection exhibited a decrease of compressive strength, indicating that the zonation aspect requires further research.
In this study the zonation of UHPC treated thermally at 90°C is investigated after applying four different procedures of treatment and curing in comparison. The samples are characterized with respect to their chemistry, mineral composition and microstructure to allow an assessment on durability and strength development, with focus on potential depth dependent changes associated with the zonation.
The measurements reveal the formation of a visible zonation in case of unprotected treatment, if followed by immersion in water. The compressive strength is not significantly impaired, but a decrease in bending strength gives reason for concern. Further results allow clear correlation with changes in pore structure, whereas the interpretation of relationships with phase distribution, degree of hydration, microchemistry is more complex and therefore, provides only partial clarification.
Powder X-ray diffraction is a time-consuming and challenging task, especially for preparation of sensitive phases like ettringite and calcium-silicate-hydrate (C-S-H) phases. Fine-grained ultrahigh-performance concrete (UHPC) with an average grain size <100 μm could be investigated directly without time-consuming milling. As a proof of concept, small UHPC cylinders with plain surfaces were investigated with a newly designed sample holder. The comparison with conventionally prepared powder shows the feasibility of fast qualitative phase analysis using this approach. As a great benefit, a depth-dependent analysis, as well as a comparison of surface layers and core material, was carried out.
Basic oxygen furnace slags (BOFS) are by-products of the steelmaking process. Several researchers have studied the production of Portland cement clinker and metallic iron from BOFS via a reductive treatment.
In this study, we applied a carbothermal reduction of BOFS in a technical-scale electric arc furnace and characterised the clinker-like products. Those clinker-like non-metallic products (NMPs) had a chemical and mineralogical composition comparable to clinker for ordinary Portland cement (OPC) and contained large elongated alite crystals as major component. The pure NMPs reacted more slowly and achieved a lower degree of hydration compared with commercial OPC.
If the reactivity of the products can be further increased by employing specific adaptations, it can be used as a full clinker substitute for OPC. Nevertheless, it is also an option to use the material without further modifications as a cement component or concrete addition, which contributes to the strength development in both cases.