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ln den letzten Jahren sind im deutschen Bundesautobahnnetz verstärkt Schäden an Betonfahrbahndecken aufgetreten, die mit einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) in Verbindung gebracht werden. Die damit einhergehende oft drastische Reduzierung der Nutzungsdauer der Betonfahrbahndecke führte zu einer starken Intensivierung der Forschung auf diesem Gebiet. Zentraler Forschungsgegenstand war bisher neben der Suche nach geeigneten präventiven betontechnologischen Maßnahmen vor allem die Entwicklung performanceorientierter Prüfverfahren zur AKR-Prävention. Dabei wurden insbesondere die klimatischen Einwirkungen auf die Betonfahrbahndecke und der externe Alkalieintrag zeitraffend simuliert. Die zusätzlich interagierenden mechanischen Einwirkungen aus dem Verkehr fanden bisher keine Berücksichtigung. Vor diesem Hintergrund verfolgt die 2011 eingerichtete und 2015 um weitere drei Jahre verlängerte DFG-Forschergruppe 1498 u. a. das Ziel, den Einfluss einer mechanisch induzierten Vorschädigung (Ermüdungsbeanspruchung) auf den AKR-Schädigungsprozess zu klären. Die hierfür erforderliche Beschreibung der vielfältigen interagierenden Schädigungs- und Transportprozesse erfordert eine enge Verknüpfung von Experimenten mit einer mehrskaligen Modellierung. Die experimentelle Basis bildet die mechanische Vorschädigung (Ermüdung) großformatiger Balken aus einem Fahrbahndeckenbeton mit einem erhöhten AKR-Schädigungspotenzial. Aus diesen Balken werden nach der Ermüdungsbeanspruchung kleinformatige Probekörper gewonnen, an denen die Auswirkungen der mechanischen Vorschädigung auf das Betongefüge und die interagierenden Transport- und Schädigungsprozesse analysiert werden. Das Teilprojekt der SAM hat in diesem Kontext die Aufgabe, ganzheitlich die Rissbildungsprozesse und den interagierenden Eintrag bzw. Auslaugung der Alkalien von der mechanisch induzierten Vorschädigung bis zum AKR-Schädigungsprozess in enger Abstimmung mit den Forschungspartnern zu untersuchen. Den Schwerpunkt dieses Beitrags bildet die Charakterisierung der Rissbildungsprozesse durch die mechanische Vorschädigung und ihrer Auswirkungen auf die interagierenden Transportprozesse. Das schließt die Vorstellung der hierfür angewandten innovative Prüftechniken und Prüfmethodologien ein.
Die vorstehend dargestellten Untersuchungen lassen sich wie folgt zusammenfassen:
• Mit dem für die mechanische Vorschädigung entwickelten Versuchsstand und gewählten Prüfregime können die für die ermüdungsinduzierte Schadensevolution typische stabilisierende und stabile Phase in der auf Zug beanspruchten Betonrandzone gut abgebildet werden. So wurde dort zum Beispiel, ausgehend von dem hier gewählten praxisnahen Belastungsregime, mit Ultraschall in der Ruhephase durch das Trockenschwingen ein maximaler Abfall des relativen dynamischen E-Moduls von ca. 8 - 10 % ermittelt.
• Mit aufbauenden kapillaren Aufsaugversuchen wurde gezeigt, dass die erzeugte Betondegradation zu einer moderaten Erhöhung der Aufnahme des Prüfmediums führt.
• Zur Bewertung der Auswirkungen einer alleinigen Vorschädigung (Trockenschwingen) auf die schädigende AKR mittels Performance-Prüfung ist die Klimawechsellagerung aufgrund der einseitigen Tausalzbeaufschlagung am besten geeignet. Die hier ermittelten Dehnungsverläufe lassen auf einen moderaten Einfluss der mechanischen Vorschädigung auf die AKR schließen.
• Die zusätzlich im Kontext der Nasschwingversuche durchgeführten 60°C Betonversuche zeigen, dass die zyklische Beanspruchung vor und nach dem Aufbringen der Tausalzlösung die schädigende AKR gleichfalls moderat erhöht.
In derzeit laufenden ergänzenden Untersuchungen wird der separate Einfluss der ermüdungsinduzierten Rissbildung auf die schädigende AKR an homogen, stärker geschädigten Prüfkörpern mit einem hohen inneren AKR-Schädigungspotenzial im 60°C Betonversuch grundhaft analysiert. Zusätzlich wird gegenwärtig der Einfluss der degradierten Betonrandzone auf die Dehnungsverteilung an großformatigen Prüfkörpern
über die Höhe im 40°C Betonversuch vertiefend für die makroskopische Modellierung untersucht.
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.
A significant number of German concrete motorway pavements have shown damage only a few years after construction. The alkali-silica-reaction (ASR) is often one of the reasons for this damage. German guidelines and regulations focus on the optimisation of the concrete composition to avoid damage due to ASR. Moreover, diverse research projects have dealt with the development and optimisation of ASR performance test methods with and without external alkali supply. However, the influence of other parameters on the occurrence and intensity of a damaging ASR had not yet been taken into account. Such parameters include, e.g., insufficient curing and the modifications of concrete’s porosity due to the use of slip form pavers. Likewise, the increased traffic loading had not yet been considered. The Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM) assesses these parameters and processes in a number of projects. These projects aim primarily to increase the durability of the concrete pavements, in particular by improving preventive measures that may be taken before or after the construction of concrete pavements. This paper gives a short overview of BAM’s projects concerning ASR in concrete pavements. Furthermore, results regarding the influence of the cyclic traffic loading on ASR are presented.
In concrete pavements, damages occurred which are related to an Alkali-Silica-Reaction (ASR). Although the background for such an ASR has been studied extensively, special conditions in pavements increase this reaction significantly. These are especially the superposition of microstructural degradation caused by cyclic loading with an external alkali supply. Previous investigations of ASR focused mainly on the material itself (aggregates, cements, assessment of the concrete) while these special circumstances have not been considered. Concrete pavements are subjected to cyclic loadings by traffic and climate changes.
Within cooperative research projects the different interdependent influencing factors for a damaging ASR in concrete pavements are studied by experiments as well as by numeric modelling. On the micro-level the ASR-related processes within the aggregate, such as gel-formation or ion-transport, are investigated. On the meso-level, the project focuses on the characterization of degradation effects in the concrete microstructure due to cyclic loading. Further, special attention is paid to the transport behavior of fluids in such pre-damaged concrete structures with and without the effect of overrunning tires as well as the impact on the ASR itself. Finally, on the macro-level the risk of an ASR-damage is assessed.
Unilateral thermal exposure of concrete building components induces moisture transport processes that have a significant influence on the spalling behaviour of dense high-strength concrete (HSC). These transport processes are based on evaporation and condensation mechanisms of liquid and gaseous water in the pores as well as the chemically bound water within the concrete. The low permeability of HSC and the formation of a saturated zone within building components (also known as a moisture clog) leads to high water-vapour pressures, which contributes to explosive spalling. The formation of these pressures has already been verified by means of pore-pressure measurement techniques. In addition, the redistribution of the moisture within concrete specimens subject to unilateral thermal exposure has been demonstrated on fractured surfaces. Investigations by means of the nuclear magnetic resonance (NMR) relaxometry technique and neutron radiography have shown one-dimensional changes in moisture distribution during thermal exposure.
However, none of these methods has been able to depict the moisture distribution in three dimensions (3D), so the link between pore size, concrete micro-structure and moisture content is missing. The research project presented in this paper aims to fill this gap by developing a new multi-level test methodology to characterise non-destructively the temporal course of spatial moisture distribution during unilateral thermal exposure. The procedure used during this programme included the collection of X-ray 3D-computed tomography (CT) measurements using a miniaturised specimen subjected to in-situ thermal exposure and the comparison of those CT results with the results of one-dimensional NMR-relaxometry before and after the heating process.
In the first step, a mobile heating device was developed, built and tested. To simulate a unilaterally-heated construction component, a cylindrical specimen made of HSC (Ø = 40 mm, L = 100 mm) was cast into an impermeable glass ceramic shell. The ceramic shell ensured a one-dimensional moisture flux and limited the thermal expansion of the concrete. An additional high-temperature wool (HTW) insulating shell ensured a one-dimensional heat flux. The heating device, which operated using infrared radiation (IR), allowed the unilateral heating of the specimens up to 300 °C using variable heating regimes.
In the second step, the mobile heating device was integrated into the CT-scanner, which enabled the collection of measurements before, during and after heating. By subtraction of successive 3D-CT images, X-ray attenuation differences could be resolved three-dimensionally in the specimen and interpreted as changes in the moisture content.
Initial results show that this test methodology can monitor the 3D changes of moisture content inside the specimen during thermal exposure. It enables the researcher to visualise areas with moisture accumulation as well as dehydrated areas inside the specimen. Comparative one-dimensional NMR-relaxometry measurements confirm the results of the CT image analysis.